PPG-EME COORDENAÇÃO DE CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Telefone/Ramal: (35) 3629-1117/1117
Dissertações/Teses

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2024
Dissertações
1
  • DIOGO JOSUÉ DE SOUZA SANTOS
  • Avaliação Termodinâmica e Econômica da Síntese de Amônia, Gás Natural e Metanol Através da Rota de Gaseificação de Biomassa no Contexto do Brasil

  • Orientador : JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MARCELO MODESTO DA SILVA
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • ROGERIO JOSE DA SILVA
  • Data: 22/02/2024

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  • Essa pesquisa explora o potencial da síntese de combustíveis sintéticos e da produção de amônia no Brasil através do bagaço de cana-de-açúcar e o Resíduo Sólido Urbano, ambas biomassas consideradas como importantes no cenário energético brasileiro pelo Programa Nacional de Energia 2030 e 2050. Os estudos de caso consideram primeiramente uma gaseificação com 2 diferentes agentes da gaseificação, apenas com ar e outro com ar e vapor adicionados simultaneamente para a obtenção do hidrogênio, que será utilizado para a síntese dos demais produtos. As plantas são analisadas pelo indicador termodinâmico de 1a lei para determinação da eficiência geral sem considerar um cenário de aproveitamento térmico por regeneração. Também são analisados os custos nivelados de H2, NH3, GNS e CH3OH a fim de quantificar a produção desses produtos através de uma rota renovável perante às rotas convencionais de energia fóssil. Observa-se que a gaseificação utilizando a adição de ar e vapor favorece a produção de hidrogênio em todos os cenários avaliados, reduzindo os custos nivelados e obtendo maiores eficiências da planta. O aumento na produtividade de hidrogênio tem por consequência obtenção de amônia, GNS e metanol com menores custos de produção e maiores eficiências.


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  • This research explores the potential for synthesizing synthetic fuels and producing ammonia in Brazil using sugarcane bagasse and solid urban waste, both biomasses considered important in the Brazilian energy scenario by the National Energy Program 2030 and 2050. The case studies first consider gasification with 2 different gasification agents, with air only and another with air and steam added simultaneously to obtain hydrogen, which will be used to synthesize the other products. The plants are analyzed using the 1st law thermodynamic indicator to determine the overall efficiency without considering a scenario of thermal use by regeneration. The levelized costs of H2, NH3, GNS and CH3OH are also analyzed in order to quantify the viability of these products through a renewable route compared to conventional fossil energy routes. It can be seen that gasification using the addition of air and steam favors hydrogen production in all the scenarios evaluated, reducing levelized costs and obtaining higher plant efficiencies. The increase in hydrogen productivity results in the production of ammonia, GNS and methanol with lower production costs and higher efficiencies.

Teses
1
  • LUCAS ANTONIO DE OLIVEIRA
  • Análise de danos em estruturas mecânicas utilizando vibrotermografia

  • Orientador : SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • BRUNO SILVA DE SOUSA
  • EDSON HIDEKI KOROISHI
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MARCELO BRAGA DOS SANTOS
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • YOHAN ALI DIAZ MENDEZ
  • Data: 19/02/2024

  • Mostrar Resumo
  • Este trabalho tem como objetivo contribuir com o desenvolvimento, entendimento e avanço da detecção de danos em materiais compósitos utilizando a técnica da vibrotermografia. Esta técnica classificada como uma técnica de termografia infravermelha ativa, utiliza de vibrações para adicionar energia ao sistema e do mapeamento térmico da superfície do material para identificar perfis ou gradientes de temperatura que indiquem a possibilidade da existência ou não de danos internos à estrutura. Na busca pela inovação nas análises numéricas aplicadas ao tema, a formulação proposta para avaliar a resposta viscoelástica do material foi aplicada, e permitiu realizar a detecção do dano induzido na interface entre os materiais Prepreg e Rohacell Hero 71\textregistered. A mudança no perfil de temperatura gerado na superfície do material após análise numérica da estrutura, permitiu detectar pontos com maiores gradientes de temperatura, como na região de engaste, na região de aplicação da força e a na região onde o dano foi inserido. Além da analise numérica inicial realizada para excitação do tipo senoidal, testes experimentais foram realizados para avaliar a geração de calor interno na estrutura durante a excitação. Nesta etapa, a utilização de diferentes frequências (naturais e não naturais) e de diferentes tipos de sinais (compostos por ondas senoidal, triangular ou quadrada) propostos para investigar a presença de danos na viga sanduiche foram avaliadas, obtendo-se diferentes respostas para as combinações utilizadas. Observou-se uma maior taxa de geração interna de calor para a excitação utilizando sinal do tipo quadrado e menor para a excitação do tipo triangular. A medição das acelerações nos pontos de referência definidos no planejamento dos ensaios, em conjunto com a análise dos termogramas gerados para as diferentes combinações, permitiu verificar para a região do dano, maiores trocas de calor entre a viga e o ambiente quando excitado na frequência de 545.65 Hz. Já para a frequência de 938.96 Hz, para a região do dano, a menor troca de energia entre a viga e o ambiente e a maior geração de calor interno quando comparada com a mesma região não danificada, permitiu observar uma mudança no perfil de temperatura, indicativo da possibilidade de existência de um dano.


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  • This work aims to contribute to the development, understanding, and advancement of damage detection in composite materials using the technique of vibrothermography. This technique, classified as an active infrared thermography technique, uses vibrations to add energy to the system and thermal mapping of the material's surface to identify temperature profiles or gradients that indicate the possibility of internal damage to the structure. In the search for innovation in numerical analysis applied to the subject, the formulation proposed to evaluate the viscoelastic response of the material was applied, making it possible to detect the damage induced at the interface between the Prepreg and Rohacell Hero 71\textregistered materials. The change in the temperature profile generated on the surface of the material after numerical analysis of the structure made it possible to detect points with greater temperature gradients, such as the crimping region, the force application region and the region where the damage was inserted. In addition to the initial numerical analysis carried out for sinusoidal excitation, experimental tests were carried out to evaluate the generation of internal heat in the structure during excitation. At this stage, the use of different frequencies (natural and unnatural) and different types of signals (composed of sine, triangular or square waves) proposed to investigate the presence of damage in the sandwich beam were evaluated, obtaining different responses for the combinations used. A higher rate of internal heat generation was observed for excitation using the square type signal and lower for triangular type excitation. The measurement of the accelerations at the reference points defined in the test plan, together with the analysis of the thermograms generated for the different combinations, made it possible to verify, for the damage region, greater heat exchange between the beam and the environment when excited at a frequency of 545.65 Hz. At 938.96 Hz, for the damaged region, the lower energy exchange between the beam and the environment and the greater generation of internal heat when compared to the same undamaged region led to a change in the temperature profile, indicating the possibility of damage.

2
  • NICOLAS PINHEIRO RAMOS
  • Inverse problems applied to the experimental thermal and hygric analysis of engineering materials

  • Orientador : SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • GILMAR GUIMARAES
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • LOUIS GOSSELIN
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • Data: 21/02/2024

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  • Várias aplicações importantes baseiam-se em um problema inverso, que envolve a recuperação de causas desconhecidas a partir da observação de seus efeitos. Já o problema direto correspondente envolve a previsão dos efeitos a partir de uma descrição completa de suas causas. Naturalmente, os problemas inversos são mais complicados do que os problemas diretos porque, em geral, eles são mal-postos, ou seja, a solução não existe, não é única ou não depende continuamente dos dados de entrada. Para amenizar esse aspecto problemático, a modelagem inversa aplicada requer uma modelagem matemática/física detalhada e experimentos bem planejados, já que os parâmetros desejados são estimados pela comparação dos dados calculados com as medições experimentais.
    Nesta tese de doutorado, abordagem inversa foi aplicada para investigar experimentalmente três estudos de caso:
    • experimentos complementares para estimar simultaneamente os parâmetros que descrevem a condutividade térmica e o calor específico dependentes da temperatura do aço inoxidável austenítico 304. A estimativa de parâmetros aproveita informações adicionais fornecidas por dois corpos condutores de calor com geometrias diferentes. Trata-se de uma abordagem alternativa às técnicas de caracterização térmica padrão, que geralmente estão fora do alcance de muitos laboratórios.
    • medições de campo de um ano para estimar várias propriedades higrotérmicas e, assim, calibrar o modelo de simulação de uma parede leve multicamadas. Um modelo 2D de transferência de calor e umidade foi usado para investigar a resposta em uso da região de junção do painel, que é crítica em termos de estanqueidade. Os resultados permitem uma avaliação precisa das condições operacionais da edificação, reduzindo as incertezas nos dados de entrada do material.
    • dados de campo para determinar o fluxo anual de condução de calor por meio de uma parede em uma casa ocupada. A modelagem inversa levou em conta as interações físicas entre o ambiente externo e a ocupação interna. Os resultados são úteis para apoiar a tomada de decisões sobre o desempenho energético, pois há uma falta de monitoramento de campo de longo prazo e de informações sobre o fluxo dinâmico de calor relacionado a residências pré-fabricadas ocupadas.
    Todas as análises acima basearam-se na avaliação da correspondência entre dados calculados por simulações numéricas no COMSOL Multiphysics e medições que transmitem o comportamento físico do componente em estudo. Os dados numéricos e experimentais foram processados e usados para fins de estimação inversa em ambiente MATLAB. Após uma análise cuidadosa e minuciosa dos coeficientes de sensibilidade, diferentes abordagens de otimização foram usadas para resolver os problemas inversos. Inferência bayesiana foi aplicada para determinar as estimações e as incertezas correspondentes das propriedades térmicas do aço inoxidável 304. O algoritmo Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS), que determina a direção de descida pré-condicionando o gradiente com informações de curvatura, foi usado no segundo estudo de caso. O fluxo de calor através da parede foi estimado usando o método sequencial da função especificada, que expressa a temperatura como função do fluxo de calor por meio de uma série de Taylor de primeira ordem. Os resultados mostram que a análise inversa é uma ferramenta confiável para obter informações valiosas sobre os mecanismos e parâmetros higrotérmicos envolvidos em problemas de engenharia.


  • Mostrar Abstract
  • Several relevant real-world applications rely on an inverse problem, which involves recovering unknown causes from observing their effects. This differs from the corresponding direct problem, whose solution involves predicting effects from a complete description of their causes. Naturally, inverse problems are more challenging than direct problems because, in general, they are ill-posed, i.e., the solution either does not exist, is not unique or it does not depend continuously on the input data. To soften this problematic aspect, applied inverse modeling requires detailed mathematical-physical modeling and well-designed experiments since the desired parameters are estimated by comparing calculated data with experimental measurements.
    In this PhD thesis, inverse approach was applied to experimentally investigate three case studies:
    • complementary experiments to simultaneously estimate the parameters describing the temperature-dependent thermal conductivity and specific heat of 304 austenitic stainless steel. Parameter estimation takes advantage of additional information provided by two heat-conducting solids with different geometries. It is an alternative approach to standard thermal characterization techniques, which are often beyond the reach of many laboratories.
    • one-year on-site measurements to estimate various hygrothermal properties and thus calibrate the simulation model of a lightweight multilayer wall. A 2D fully coupled heat and moisture transfer model was used to investigate the in-use response of the panel junction region, which is critical in terms of airtightness. The results enable an accurate assessment of building operating conditions by reducing uncertainties in material input data.
    • field data to determine the annual heat conduction flux through a wall assembly in an occupied house. Inverse modeling accounted for the physical interactions between outdoor environment and indoor occupancy. The methodology and the findings are useful to support decision-making on energy performance, as there is a lack of long-term field monitoring and information on dynamic heat flux related to prefabricated occupied dwellings.
    All the above inverse analyzes were based on evaluating the match between data predicted by numerical simulations in COMSOL Multiphysics and measurements conveying the physical behavior of the component under study. Numerical and experimental data were processed and used for inverse estimation purposes in MATLAB environment. After careful analysis of sensitivity coefficients, different optimization approaches were used to solve the inverse problems. Bayesian statistical inference was applied to determine the estimates and corresponding uncertainties of the thermal properties of 304 stainless steel. The Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno (BFGS) algorithm, which determines the descent direction by preconditioning the gradient with curvature information, was used in the second case study. The wall heat flux was estimated using the sequential function specification method (SFSM), which expresses temperature as function of heat flux by means of a first-order Taylor series. The results show that inverse modeling is a reliable tool for obtaining valuable information about the hygrothermal mechanisms and parameters involved in applied engineering problems.

3
  • TÚLIO AUGUSTO ZUCARELI DE SOUZA
  • Análise experimental e em CFD de motor Diesel alimentado com biocombustíveis adaptáveis à matriz energética brasileira em modo dual fuel

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANDREAS NASCIMENTO
  • ANDRÉS ARMANDO MENDIBURU ZEVALLOS
  • BRUNA OLIVEIRA PASSOS E SILVA SIQUEIRA
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • CRISTIANE APARECIDA MARTINS
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • Data: 26/02/2024

  • Mostrar Resumo
  • Com a crescente demanda energética, o surgimento de legislações ambientais cada vez mais rigorosas e com os carros elétricos longe de se tornarem uma realidade em larga escala, novos vetores energéticos têm sido propostos como soluções para motores de combustão interna. Neste sentido, biogás, biometano e gases de síntese representam opções que, embora ainda não amplamente utilizadas no transporte brasileiro, merecem atenção. Além do uso de novas fontes energéticas, técnicas inovadoras – como o modo dual fuel – podem aproveitar ainda mais o potencial de diferentes combustíveis, como o HVO (do inglês “óleo vegetal hidrotratado”), para otimizar o funcionamento do motor dos pontos de vista de eficiência e das emissões de poluentes. Desta forma, na presente tese propõe-se uma análise experimental e numérica de um motor diesel monocilindro operando em modo dual fuel com combustíveis adaptáveis à matriz energética brasileira. Foi observado o potencial destes combustíveis na substituição parcial do diesel, com potencial redução nas emissões de NOx (até 25,8%) e material particulado (até 86%), associado a um pequeno decréscimo nas eficiências térmica (até 12.5%) e de combustão (até 4.2%). No caso da substituição de diesel por HVO, foram observadas melhorias tanto nas emissões (NOx, CO, CO2, HC e material particulado) como na eficiência térmica. Por fim, a combinação dos combustíveis gasosos com o HVO levou à mesma tendência observada para o diesel, porém com resultados superiores em termos de eficiência e emissões. Em todos os casos, o modelo CFD em ANSYS Forte® forneceu análises adicionais dos resultados experimentais, e representa uma opção para extrapolação de resultados, otimização e predição da operação do motor sem a necessidade de testes adicionais.


  • Mostrar Abstract
  • With the growing energy demand, the rise of stricter environmental regulations, and the large-scale application of electric vehicles far from being a reality, new energy vectors for internal combustion engines have been considered. In this sense, biogas, biomethane, and syngas represent options that deserve some attention, despite not being widely used in Brazilian transportation. In addition to the use of new energy sources, innovative techniques – such as the dual fuel mode – can improve even further the potential of different fuels, such as HVO (hydrotreated vegetable oil), in order to optimize the engine operation in terms of efficiency and pollutants emissions. Therefore, the present thesis proposes experimental and numerical analyses in a single-cylinder diesel engine operating in dual fuel mode with fuels adaptable to the Brazilian energy matrix. The potential of theses fuels as partial replacements for diesel was verified, reducing NOx (up to 25.8%) and particulate matter (up to 86%) emissions, associated to a small decrease in thermal (up to 12.5%) and combustion (up to 4.2%) efficiencies. When diesel was replaced by HVO, improvements were observed in both emissions (NOx, CO, CO2, HC and particulate matter) and thermal efficiency. Finally, the combination of gaseous fuels with HVO led to the same trend observed for diesel, but with superior results for efficiency and emissions. In all the studied cases, the ANSYS Forte® CFD model offered additional understanding of experimental results, representing an option for extrapolation of results, optimization, and prediction of engine operation without the need of additional tests.

2023
Dissertações
1
  • MARIANA DE MELO ANTUNES
  • Estudo experimental de uma abordagem transiente para estimação simultânea de propriedades térmicas dependentes da temperatura em materiais metálicos

  • Orientador : SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALISSON AUGUSTO AZEVEDO FIGUEIREDO
  • ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • Data: 23/02/2023

  • Mostrar Resumo
  • No presente trabalho descreve-se o estudo de uma técnica experimental para a estimação simultânea e variando com temperatura da condutividade térmica, k, e do calor específico, cp, em amostras de diferentes materiais metálicos em uma faixa de 20 °C até mais de 150 °C. São utilizados dois modelos térmicos baseados na difusão de calor transiente e não linear através de amostras metálicas sujeitas à diferentes condições de contorno. No primeiro modelo, unidimensional (1D), toda superfície superior das amostras é sujeita a um fluxo de calor constante enquanto as demais superfícies são mantidas isoladas. No segundo modelo, tridimensional (3D), apenas parte da superfície superior é aquecida por este fluxo de calor enquanto a condição de isolamento térmico é mantida nas demais superfícies. Nos dois modelos o efeito da resistência de contato é considerado como um fator de redução no fluxo de calor entregue durante os experimentos, consequência do contato imperfeito na interface aquecedor-amostra. O modelo tridimensional utilizado permite avaliar melhor os efeitos da difusão do calor, aumentando a sensibilidade e abordando um estudo de caso mais realista. Por meio da análise de sensibilidade é possível obter informações prévias sobre a viabilidade da estimação e estabelecer os aspectos experimentais do processo de estimação. O critério de sensibilidade D-ótimo é aplicado para determinar o melhor local para coleta de medidas de temperatura para que os dados de um único termopar sejam suficientes para a estimação das propriedades térmicas. A análise térmica é realizada em amostras de aços inoxidáveis austeníticos 304 e 316, em aço carbono 1045 e no compósito metal duro WC10Co. O problema direto é resolvido no software COMSOL Multiphysics, que calcula a distribuição de temperatura na amostra a partir da geometria e condições iniciais e de contorno fornecidas. Para solução do problema inverso em condução de calor é aplicado o método de Levenberg-Marquardt (L-M), capaz de estimar propriedades térmicas simultaneamente e variando com a temperatura fazendo uso de medidas experimentais transientes obtidas em um único experimento em temperatura ambiente. O Método da Função Especificada Não-Linear é usado para confirmar a confiabilidade da técnica inversa de estimação aplicada na obtenção das propriedades térmicas. Dessa forma, os resultados obtidos na estimação são utilizados para verificar o fluxo de calor imposto na amostra. Além disso, o estudo estatístico dos intervalos de confiança e a comparação com a literatura confirmam a qualidade dos resultados. Finalmente, a acurácia do método
    desenvolvido é investigada por meio da análise dos erros provenientes dos processos experimental e numérico. Verifica-se que não há variação significativa na dispersão dos dados obtidos para o calor específico, mantendo intervalo de confiança de 0,5% independente do material. Já para a condutividade térmica é verificada forte influência da sensibilidade, com intervalos de confiança variando de 1 a 6%, sendo o menor deles correspondente ao modelo térmico 3D, que fornece maior sensibilidade para o parâmetro. Além disso, a análise de erros indica que a incerteza relativa do processo de estimação é de cerca de 6%.


  • Mostrar Abstract
  • This work describes an experimental and straightforward technique towards the simultaneous estimation of temperature-dependent thermal conductivity, k, and specific heat, cp, in samples of different metallic materials, ranging from 20°C to more than 150 °C. Two thermal models based on transient nonlinear heat conduction across the metallic samples are applied. In the first one, one-dimensional (1D), the whole upper surface is heated by a constant heat flux and the other surfaces are kept insulated. The second one, three-dimensional (3D), is only partially subject to a constant heat flux on the upper side, and insulated on the other surfaces. The imperfect contact at the heater-plate interface in both cases causes contact resistance effect, which is considered as a reducing agent on heat flux. This enabled one better assess the heat diffusion effects, increasing the sensitivity, and addressing a more realistic case study. Through sensitivity analysis, it is possible to obtain prior information about estimation feasibility and establish all experimental aspects. D-optimality-based sensitivity analysis was used to determine the best location to collect the measurements so that data from a single thermocouple were sufficient to identify these thermal properties. Thermal analysis has been performed in 304 and 316 autenitic stainless steels, 1045 carbon steel and in hardmetal composite WC10Co. The direct problem was solved in COMSOL Multiphysics, obtaining the temperature field from known initial and boundary conditions. The Levenberg–Marquardt (L-M) method is employed to provide the solution to an inverse heat conduction problem capable of simultaneously evaluating the temperature-dependent thermophysical properties using transient temperature measurements at room temperature. Nonlinear Function Specification Method is used to confirm the reliability of the inverse estimation technique by using the achieved outcomes to recover the heat flux imposed on the test plate. Furthermore, the statistical study into confidence bounds and comparison with literature reveal the robustness of the results. Finally, the accuracy of the developed approach is investigated through the analysis of the errors deriving from experimental and numerical procedures. It is verified that there is no significant variation in the dispersion of the data obtained for specific heat, maintaining 0.5% confidence bounds regardless of the material. For thermal conductivity, a strong influence of sensitivity is verified, with confidence bounds ranging from 1 to 6%, with the lowest value corresponding to the 3D
    thermal model, which provides greater sensitivity for the parameter. Furthermore, error analysis indicates that the relative uncertainty of the estimation process is around 6%.

2
  • BRUNO MARTINS QUINTÃO
  • Avaliação da influência do aporte térmico na microestrutura da ZAC de juntas soldadas do aço inoxidável ENDUR 300

  • Orientador : EDMILSON OTONI CORREA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDMILSON OTONI CORREA
  • GILBERT SILVA
  • LEONARDO ALBERGARIA OLIVEIRA
  • VANESSA BAWDEN DE PAULA MACANHAN DE ARRUDA
  • Data: 28/02/2023

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  • Diante de um mercado cada vez mais competitivo e exigente, as siderúrgicas produtoras de aços inoxidáveis vêm desenvolvendo produtos cada vez mais resistentes e de melhor custo benefício às aplicações recomendadas. Estes aços desfrutam de um cenário propício para aplicações nos mais variados campos da engenharia. Entretanto, nota-se um desprovimento de informações em relação aos impactos dos parâmetros do processo de soldagem na qualidade final do cordão de solda. Desta forma, o objetivo desse trabalho é avaliar a influência do aporte térmico de soldagem na microestrutura da zona afetada pelo calor (ZAC) dos aços inoxidáveis comerciais Endur 300. Assim, o desenvolvimento de estudos que visam determinar a melhor faixa de energia de soldagem se faz necessário de modo a garantir que tanto o balanço de fases quanto as propriedades mecânicas do material não sejam severamente prejudicadas numa posterior aplicação. O trabalho é composto pela caracterização da ZAC das juntas soldadas através do processo GMAW (Gas Metal Arc Welding) com aportes térmicos de 4,2, 6,7 e 9,1 kJ/cm. Foi realizada a soldagem nos três aportes térmicos escolhidos, e após seguiu-se para a análise do metal base e dos cordões de solda mediante ensaios de Microdureza Vickers, tração, dobramento guiado 180°, macroscopia, microscopia óptica (MO), análise de fratura (MEV) encerrando com a quantificação de fases via software. Os resultados demonstraram que a taxa de resfriamento natural das três condições testadas não foi suficiente para provocar mudanças microestruturais significativas no balanço das fases Ferrita e Martensita encontradas na ZAC. Em relação às propriedades mecânicas, a alteração de aporte térmico também não gerou impacto na qualidade final das juntas soldadas.


  • Mostrar Abstract
  • Faced with an increasingly competitive and demanding market, steel producers of stainless steel have been developing increasingly resistant and cost-effective products for recommended applications. These steels enjoy a favorable scenario for applications in the most varied fields of engineering. However, there is a lack of information regarding the impacts of the welding process parameters on the final quality of the weld bead. Thus, the objective of this work is to evaluate the influence of the welding heat input on the microstructure of the heat-affected zone (HAZ) of Endur 300 commercial stainless steels. is necessary in order to guarantee that both the phase balance and the mechanical properties of the material are not severely impaired in a subsequent application. The work comprises the characterization of the HAZ of welded joints using the GMAW (Gas Metal Arc Welding) process with thermal inputs of 4.2, 6.7 and 9.1 kJ/cm. Welding was carried out in the three chosen thermal inputs, and then proceeded to the analysis of the base metal and weld beads through Vickers Microhardness tests, traction, 180° guided bending, macroscopy, optical microscopy (OM), fracture analysis (SEM) ending with  phase quantification via software. The results showed that the natural cooling rate of the three conditions tested was not enough to cause significant microstructural changes in the balance of the Ferrite and Martensite phases found in the HAZ. Regarding the
    mechanical properties, the change in heat input also did not impact the final quality of the welded joints.

3
  • THIAGO GONÇALVES DE OLIVEIRA
  • Caracterização microestrutural e atividade antimicrobiana da liga equiatômica multicomponente MoNbNiTiZr

  • Orientador : ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • AMANDA DE CARVALHO PEREIRA MORAES
  • ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • DANIELA SACHS
  • GILBERT SILVA
  • Data: 01/03/2023

  • Mostrar Resumo
  • Para atender o crescimento do mercado de biomateriais, as pesquisas científicas e avanços tecnológicos envolvendo estes materiais estão em evidência, com o objetivo de complementar o uso de ligas e materiais existentes. De 2022 até o momento foram publicados mais de 2500 trabalhos na PubMed envolvendo biomateriais, segundo a National Library of Medicine - National Center for Biotechnology Information. Sabe-se que os biomateriais tradicionais, como ligas de CoCrMo, Ti e aço inoxidável possuem limitações e instabilidade termodinâmica em ambientes biológicos. Uma das alternativas para melhores propriedades mecânicas em conjunto com a biocompatibilidade é o desenvolvimento e o estudo das ligas multicomponentes, pelas suas características microestruturais e propriedades promissoras. Com isso, pesquisas têm relatado resultados relevantes para as ligas multicomponentes, como melhor desempenho anticorrosivo em comparação com ligas biomédicas tradicionais, além de módulo de elasticidade e dureza mais adequados e boa viabilidade celular. Este trabalho propôs o estudo de viabilidade da liga de alta entropia (multicomponente) equiatômica MoNbNiTiZr para aplicações biomédicas. Neste intuito, foram realizadas caracterização microestrutural por Difratometria de Raios X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV/EDS), ensaio de microdureza Vickers e avaliação de comportamento da liga multicomponente em comparação com o cp-Ti em ensaios de atividade antimicrobiana com as bactérias S. aureus e S. aureus HU25. Os resultados indicaram que a liga MoNbNiTiZr é bifásica formada por regiões dendríticas e interdendríticas, com estruturas CCC e HC, respectivamente. Quanto à microdureza, a liga apresentou 576,5 HV. Este valor se destaca dentre outras ligas multicomponentes da literatura para aplicações biomédicas. Para atividade antimicrobiana, a liga equimolar apresentou maior resistência ao biofilme de S. aureus e S. aureus HU25 do que o cp-Ti.


  • Mostrar Abstract
  • In order to attend the growth of the biomaterials market, scientific research and technological advances involving these materials are in evidence, with the objective of complementing the use of existing alloys and materials. From 2022 to date, more than 2500 papers have been published in PubMed involving biomaterials, according to the National Library of Medicine - National Center for Biotechnology Information. It is known that traditional biomaterials, such as CoCrMo alloys, Ti and stainless steel, have limitations and thermodynamic instability in biological environments. One of the alternatives for better mechanical properties along with biocompatibility is the development and study of multicomponent alloys, for their microstructural characteristics and promising properties. As a result, researchs has reported interesting results for multicomponent alloys, such as better anticorrosive performance compared to traditional biomedical alloys, in addition to more adequate Young’s modulus and hardness and good cell viability. This work proposed the feasibility study of the equiatomic MoNbNiTiZr high-entropy alloy (multicomponent) for biomedical applications. For this purpose, microstructural characterization by X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM/EDS), Vickers microhardness test and evaluation of the behavior evaluation of the high-entropy alloy compared to cp-Ti in antimicrobial activity assays with S. aureus and S. aureus HU25 bacteria. The results indicated that the MoNbNiTiZr alloy is biphasic formed by dendritic and interdendritic regions, with BCC and HCP structures, respectively. As for microhardness, the alloy showed 576.5 HV. This value stands out among other multicomponent alloys in the literature for biomedical applications. For antimicrobial activity, the equimolar alloy showed greater resistance to S. aureus and S. aureus HU25 biofilm than cp-Ti.

4
  • PIETRO OLEGÁRIO DA SILVA
  • Análise Numérica do Escoamento em Perfis Aerodinâmicos com Dispositivos Hipersustentadores

  • Orientador : ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • ELISAN DOS SANTOS MAGALHÃES
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 13/03/2023

  • Mostrar Resumo
  • No setor aeronáutico, um tipo de geometria bastante utilizado nos estudos em aerodinâmica são os dispositivos hipersustentadores. Esses corpos localizados nos bordos de ataque e de fuga das asas do avião, são responsáveis no aumento de sustentação, como por exemplo nos momentos de decolagem e aterrissagem onde as condições aerodinâmicas são tão diferentes que tal asa necessitam desses dispositivos para obter o coeficiente de sustentação necessário. Apresenta-se neste trabalho, um estudo da dinâmica dos escoamentos envolvendo o perfil aerodinâmico NACA0012 com e sem dispositivos hipersustentadores, com o objetivo de uma melhor compreensão dos efeitos envolvidos bem como definir dentre as geometrias avaliadas a de melhor desempenho em maximizar a sustentação e reduzir o arrasto. Para os estudos numéricos, as equações de Navier-Stokes foram resolvidas para obter os resultados por meio do software COMSOL Multiphysics que é baseado no Método dos Elementos Finitos. Todas as simulações foram realizadas no Laboratório de Transferência de Calor (LabTC) da Universidade Federal de Itajubá. Inicialmente as simulações foram feitas sobre o perfil NACA0012, chamado de perfil base e em seguida foi adicionado um flap a 10° no seu bordo de fuga. Observou-se que o a adição do flap gera um ganho nos valores dos coeficientes de sustentação e arrasto para um mesmo ângulo de ataque. Um terceiro teste foi realizado para o perfil base com a adição do flap, onde fixou-se o perfil base a 7° e variou-se o ângulo do flap, mostrando que a medida que o ângulo aumenta o coeficiente de sustentação aumenta também, isso ocorre devido ao aumento da curvatura do perfil. Outra simulação realizada foi adicionando um slat no bordo de ataque, comprovando que esse dispositivo adia o estol. Por último, realizou-se um teste adicionando um slat e um flap no perfil base, afirmando que a combinação desses três elementos gera um valor maior do coeficiente de sustentação e uma melhor distribuição do coeficiente de pressão. Com base na variação do ângulo de ataque, foram realizadas análises qualitativas e quantitativas dos resultados dos campos de linhas de corrente, vorticidade e pressão e dos coeficientes aerodinâmicos para um número de Reynolds igual a 1000.


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  • In the aeronautical sector, a type of geometry widely used in studies in aerodynamics are the high lift devices. These bodies located on the leading and treailing edges of the aircraft’s wings are responsible for increasing lift, for example, during takeoff and landing where the aerodynamic conditions are different, the wings need these devices to obtain the necessary lift coefficient. This work presentes a study of the flow dynamic involving the aerodynamic airfoil NACA0012 with and without high lift devices, where the objective is to have a better understanding of the effects involved and to define among the evaluated geometries, the one with the best performance in maximixing lift and reduce drag. For the numerical studies, the Navier-Stokes equations were solved to obtain the results using the COMSOL Multiphysics software, which is based on the Finite Element Method. All simulations were carried out in the Heat Transfer Laboratory (LabTC) on the Federal University of Itajubá. Initially, the simulations were performed on the NACA0012 airfoil, called the base airfoil, and then a flap at 10° was added to its trailing edge. It was observed that the addition of the flap generates an increase in the values of the lift and drag coefficients for the same angle of attack. A third test was carried out for the base airfoil with the addition of the flap, where the base airfoil was fixed at 7° and the flap angle was varied, showing that as the angle increases the lift coefficient also increases, this occurs due to the increased curvature of the airfoil. Another simulation performed was adding a slat on the leading edge, proving the this device postpones the stall. Finally, a test was carried out adding a slat and a flap to the base airfoil, stating that the combination of these three elements generates a higher value of the lift coeficiente and a better distribution of the pressure coeficiente. Based on the angle of attack variation, it were performed qualitative and quantitative analyzes of the results of the streamline fields, vorticity fields, pressure fields and aerodynamic coefficients for a Reynolds number equal 1000.

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  • ALEX NIVALDO ALCÂNTARA RENÓ
  • Estudo por simulação numérica da adição de aletas internas e nanoparticulas no tubo receptor de um concentrador solar tipo calha parabólica

  • Orientador : JUAN JOSE GARCIA PABON
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANDREAS NASCIMENTO
  • Carlos Eduardo Castilla Alvarez
  • JUAN JOSE GARCIA PABON
  • Data: 20/07/2023

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  • A hidreletricidade é a principal fonte de geração do sistema elétrico brasileiro e devido aos problemas hidrológicos observados recentemente e aos planos de expansão da matriz, o país busca tecnologias alternativas de energia, como usina de energia solar concentrada e planejamento para melhorar a eficiência do sistema. Sendo um exemplo, a usina solar de calha parabólica (PTC) é utilizada para produção de eletricidade e calor, simultaneamente. O presente trabalho desenvolve modelagem energética e térmica de usina PTC de 100 MW para a cidade de Itacarambi-MG. Nesta obra, o desempenho do coletor solar é melhorado considerando diferentes geometrias de aletas internas e utilização de nanofluidos como fluido de transferência térmica. Para tanto, foram propostos nove casos finais, incluindo, tubo liso, aleta longitudinal retangular, aleta longitudinal triangular, nanopartícula de óxido de magnésio (MgO) e nanopartícula de sílica (SiO2) com 2% de fração de volume. O Therminol-VP1 é escolhido como fluido de transferência de calor (HTF) do sistema. Através da ferramenta CFD são avaliados os principais parâmetros do problema, sendo eles: coeficiente de transferência de calor, fator de atrito, perda de pressão, trabalho de bombeamento, eficiência térmica e exergética do coletor. O melhor desempenho foi obtido para o caso com aletas longitudinais retangulares de tamanho de 25 mm e espessura de 4 mm, utilizando nanofluido MgO 2%. Para este caso, o HTC máximo foi de 1426, 8 W/m² K, enquanto a pressão e o fator de atrito tiveram um aumento percentual de 338,56% e 220%, respectivamente. A eficiência térmica máxima foi de 72,36% e exergética de 32,22%, o que representou uma melhoria de 5,6% e 5,3% em relação ao tubo de referência. O menor LCOE obtido variou de 0,02648 a 0,02746 euro kW/h.


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  • Hydroelectricity is the main source of generation in the Brazilian electrical system and due to the hydrological problems observed recently and plans to expand the matrix, the country is looking for alternative energy technologies, such as a concentrated solar power plant and planning to improve the system's efficiency. As an example, the parabolic trough solar plant (PTC) is used to produce electricity and heat simultaneously. The present work develops energy and thermal modeling of a 100 MW PTC plant for the city of Itacarambi-MG. In this work, the performance of the solar collector is improved considering different geometries of internal fins and the use of nanofluids as thermal transfer fluid. For that, nine final cases were proposed, including, smooth tube, rectangular longitudinal fin, triangular longitudinal fin, magnesium oxide nanoparticle (MgO) and silica nanoparticle (SiO2) with 2% volume fraction. Therminol-VP1 is chosen as the heat transfer fluid (HTF) of the system. Through the CFD tool, the main parameters of the problem are evaluated, namely: heat transfer coefficient, friction factor, pressure loss, pumping work, thermal efficiency and collector exergy. The best performance was obtained for the case with rectangular longitudinal fins of size 25 mm and thickness of 4 mm, using 2% MgO nanofluid. For this case, the maximum HTC was 1426.8 W/m² K, while the pressure and friction factor had a percentage increase of 338.56% and 220%, respectively. The maximum thermal efficiency was 72.36% and exergy 32.22%, which represented an improvement of 5.6% and 5.3% in relation to the reference tube. The lowest LCOE obtained ranged from 0.02648 to 0.02746 euro kW/h.

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  • SUSIANE APARECIDO MACHADO
  • UTILIZAÇÃO DO PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS PARA ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO FERRO NO PROCESSAMENTO DE CAVACOS DA LIGA 7075 VIA MOAGEM DE ALTA ENERGIA E METALURGIA DO PÓ

  • Orientador : ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • PATRÍCIA CAPELLATO
  • Data: 11/08/2023

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  • As ligas de alumínio são amplamente empregadas nas indústrias aeronáuticas, automobilísticas, construção civil e bens de consumo, principalmente devido a sua baixa densidade e alta resistência a corrosão. As pesquisas visando a reciclagem e reutilização vêm aumentando ao longo dos anos, inclusive se encontram dentro dos objetivos 9 e 12 da ODS. Porém uma das grandes dificuldades encontradas durante a reciclagem é a impureza do elemento ferro, que quando presente forma fases ricas neste elemento, sendo estas grosseiras e deletérias, que prejudicam as propriedades mecânicas. Portanto, este trabalho visa analisar o efeito de diferentes teores de ferro na densidade e na microdureza da liga 7075 produzida pelo processo de moagem de alta energia/metalurgia do pó a partir de cavacos. Para isto, cavacos da liga 7075-T6 foram moídos por 40 horas a 400 rpm, depois peneirados e misturados em moinho por 2 horas a 250 rpm com 2, 4 e 6% em peso de ferro. Para compactação foram utilizados os valores de 400 MPa e 700 MPa em prensa uniaxial e 250 MPa em prensa isostática, já o tempo de sinterização utilizado foram de 60 e 120 minutos para as temperaturas de 500°C e 600°C. Os resultados de densidade e microdureza foram medidos e analisados usando o planejamento de experimento (DOE) no software Minitab®, por meio dele foi possível verificar os parâmetros ótimos para cada condição de adição de ferro e criar fórmulas matemáticas para a densidade e microdureza, bem como avaliar o efeito de cada parâmetro nas respostas. A melhor amostra foi produzida com adição de 4% de ferro, pressão de 700 MPa na prensa uniaxial e 250 MPa na prensa isostática, a temperatura e tempo de sinterização utilizadas foram de 600 °C e 60 minutos respectivamente, sendo nesta condição obtido uma microdureza média de 107,5 HV e densidade de 2,58 g/cm3.


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  • Aluminum alloys are widely used in the aeronautical, automobile, construction and consumer goods industries, mainly due to their low density and high resistance to corrosion. Research aimed at recycling and reuse has increased over the years, and is within SDG objectives 9 and 12. However, one of the greatest difficulties encountered during recycling is the impurity of the iron element, which when present forms phases rich in this element, which are coarse and harmful, which impair the mechanical properties. Therefore, this work aims to analyze the effect of different iron contents on the density and microhardness of alloy 7075 produced by the high-energy grinding/powder metallurgy process from chips. For this, 7075-T6 alloy chips were ground for 40 hours at 400 rpm, then sieved and mixed in a mill for 2 hours at 250 rpm with 2, 4 and 6% by weight of iron. For compaction, values of 400 MPa and 700 MPa were used in a uniaxial press and 250 MPa in an isostatic press, while the sintering time used was 60 and 120 minutes for temperatures of 500°C and 600°C. The density and microhardness results were measured and analyzed using the planning of experiment (DOE) in the Minitab® software, through which it was possible to verify the optimal parameters for each iron addition condition and create mathematical formulas for the density and microhardness, as well how to evaluate the effect of each parameter on the responses. The best sample was produced with the addition of 4% iron, pressure of 700 MPa in the uniaxial press and 250 MPa in the isostatic press, the temperature and sintering time used were 600°C and 60 minutes respectively, with this condition obtaining an average microhardness. of 107.5 HV and density of 2.58 g/cm3.

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  • CARLOS EUSTAQUIO DOS SANTOS NEVES
  • Otimização Multiobjetivo de Vaso de Pressão Tipo IV para Armazenamento de Hidrogênio usando Método dos Elementos Finitos e Metodologia de Superfície de Resposta

  • Orientador : ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • MATHEUS BRENDON FRANCISCO
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • TULIO HALLAK PANZERA
  • YOHAN ALI DIAZ MENDEZ
  • Data: 29/09/2023

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  • As células de combustível de hidrogênio para veículos estão entrando no mercado automotivo e em muitos outros mercados, como sistemas de armazenamento estacionários e combustível aeroespacial para foguetes, oferecendo benefícios como a redução das emissões de gases nocivos, maior segurança energética e maior eficiência dos transportes. Um dos grandes desafios neste campo é o desenvolvimento de tecnologias para armazenar hidrogénio de uma forma que permita o transporte e armazenamento seguros desde o local de produção até ao consumidor final. O armazenamento de hidrogênio requer um recipiente sob pressão mais sofisticado em comparação com um tanque de combustível tradicional, por exemplo. O principal desafio do vaso de pressão para armazenamento de hidrogênio reside na sua construção e no projeto, particularmente na identificação de materiais alternativos e configurações de diferentes fibras que possam suportar a pressão interna nominal de trabalho. Neste estudo, simulações numéricas serão realizadas utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF) para avaliar diversas configurações de laminados, incluindo diferentes orientações e espessuras de fibra. O objetivo é avaliar a probabilidade mínima de falha. Para aumentar a eficiência computacional, a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) será utilizada para criar uma função objetivo, que será otimizada usando o Algoritmo Genético (AG). Os parâmetros ideais do vaso de pressão serão validados através do Método dos Elementos Finitos (MEF). Inicialmente, simulações numéricas serão realizadas utilizando FEM em um vaso de pressão composto tipo IV. Será considerado um liner de poliamida 6 (PA6) com trama de fibra de carbono, juntamente com diferentes orientações e espessura constante das camadas laminadas. O objetivo é minimizar o fator de segurança Tsai-Wu para cada combinação. Alguns dados obtidos do FEM serão usados para criar um modelo de superfície de resposta de fator inverso (IRF) personalizado. Este modelo será utilizado
    para determinar a resistência de reserva do material com base no Critério de Falha Tsai-Wu, que representa adequadamente a influência desses parâmetros na resposta mecânica do vaso de pressão. Posteriormente, será empregado o método de otimização multiobjetivo de algoritmos genéticos para encontrar os valores ótimos das variáveis de projeto que garantam o menor peso e a mínima probabilidade de falha. Os resultados demonstram a eficácia desta metodologia, que será então validada através do Método dos Elementos Finitos (MEF) para confirmar os parâmetros ideais do vaso de pressão.


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  • Hydrogen fuel cells for vehicles are entering the automotive market and many other markets, offering benefits such as reduced harmful gas emissions, enhanced energy security, and increased transportation efficiency. One of the major challenges in this field is the development of technologies for storing hydrogen in a manner that allows safe transportation and storage from the production site to the end consumer. Hydrogen storage requires a more sophisticated pressure storage vessel compared to a gasoline tank, for example. The primary challenge with hydrogen storage cylinders lies in their construction and design, particularly in identifying alternative materials and configurations of different fibers that can withstand the rated internal working pressure. In this study, numerical simulations will be conducted using the Finite Element Method (FEM) to evaluate various
    laminate configurations, including different orientations and fiber thicknesses. The objective is to assess the minimum probability of failure. To enhance computational efficiency, the Response Surface Methodology (RSM) will be utilized to create an objective function, which will be optimized using the Genetic Algorithm (GA). The ideal parameters of the pressure vessel will be validated using the Method of Finite Elements (MEF). Initially, numerical simulations will be performed using FEM on a type IV composite pressure vessel. A polyamide 6 (PA6) liner with a carbon fiber weave will be considered, along with different orientations and constant thickness of the laminated layers. The objective is to minimize the Tsai-Wu safety factor for each combination. Some data obtained from the FEM will be used to create a customized inverse factor (IRF) response surface model. This model will be used to determine the reserve strength of the material based on the Tsai-Wu Failure Criterion,
    which adequately represents the influence of these parameters on the mechanical response of the pressure vessel. Subsequently, the multi-objective optimization method of genetic algorithms will be employed to find the optimal values of the design variables that ensure the lowest weight and minimum probability of failure. The results demonstrate the effectiveness of this methodology, which will then be validated using the Finite Element Method (FEM) to confirm the ideal parameters of the pressure vessel.

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  • ANDRÉ BELLUCO GUERRINI
  • Modelagem Computacional e Diagnóstico Termodinâmico de Turbina a Gás usando Redes Neurais

  • Orientador : OSVALDO JOSE VENTURINI
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DIEGO MAURICIO YEPES MAYA
  • DIMAS JOSÉ RÚA OROZCO
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • ROGERIO JOSE DA SILVA
  • Data: 22/11/2023

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  • As turbinas a gás aeroderivativas são amplamente utilizadas em plataformas de produção de petróleo e gás do tipo FPSO, isto é, unidades de produção, armazenagem e transferência de petróleo (Floating Production Storage and Offloading), seja para a geração de energia elétrica, quando acopladas a um gerador elétrico, seja para o acionamento mecânico de bombas e compressores, quando acopladas a essas máquinas. A produção de óleo e gás é intermitente e exige das turbinas a gás disponibilidade e flexibilidade para uma operação segura e confiável. Para alcançar tais condições, o seu monitoramento é fator fundamental para garantir a segurança da operação. Outro fator é a realização do diagnóstico de falhas da turbina, ou seja, identificar de forma eficiente e confiável onde essas falhas estão ocorrendo, de forma que o planejamento da manutenção seja eficaz para manter a máquina disponível. Considerando esse cenário, este trabalho tem como objetivo principal a desenvolver um método para auxiliar na realização do diagnóstico de falhas que afetam o desempenho da turbina a gás. Para isso, um modelo de turbina a gás aeroderivativa de composta por gerador de gás de dois spools turbina livre (PT) foi desenvolvido em MATLAB/Simulink com auxílio da biblioteca T-MATS. O modelo desenvolvido é capaz de representar o comportamento da turbina quando operando em regime permanente, uma vez que o objetivo é gerar dados para diferentes condições de operação e diferentes condições ambientes, para posterior utilização dos mesmos em um modelo de rede neural. O modelo da turbina a gás apresentou comportamento satisfatório, apresentando desvios não maiores que 1%, quando comparados com dados reais de operação. Em seguida, condições de falhas foram impostas ao modelo, o que possibilitou levantar informações sobre parâmetros operacionais do turbogerador operando sob degradação de alguns dos seus componentes. Os dados gerados pelo modelo da turbina a gás em MATLAB/Simulink foram utilizados para alimentar um modelo de machine learning para o diagnóstico das falhas. O modelo proposto é composto por duas redes neurais de propagação direta atuando em paralelo, sendo uma de regressão e outra de classificação. A rede de regressão tem o objetivo de atender os valores numéricos e o comportamento da turbina; a rede de classificação tem o objetivo de identificar e classificar as falhas. Ambas as redes apresentaram bons desempenhos para ambos os problemas de falhas isoladas e de falhas combinadas, não gerando erros quadráticos médios maiores que 5x10-6 para a rede de regressão e um erro percentual de 0.37% para a rede de classificação.


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  • Aeroderivative gas turbines are widely used on Floating Production Storage and Offloading (FPSO) oil and gas production platforms. These units serve as production, storage, and oil transfer facilities. These turbines are employed either for generating electrical power when connected to an electrical generator or for mechanically driving pumps and compressors when connected to these machines. Oil and gas production is intermittent and demands gas turbines to be available and flexible for safe and reliable operation. To achieve such conditions, monitoring them is a crucial factor to ensure operational safety. Another factor is diagnosing turbine faults, efficiently and reliably identifying where these faults are occurring, so that maintenance planning is effective in keeping the machine operational. In this context, the primary objective of this work is to develop a method to assist in diagnosing faults that affect the performance of aeroderivative gas turbines. To achieve this, a model of an aeroderivative gas turbine, consisting of a two-spool gas generator and a power turbine (PT), was developed using MATLAB/Simulink with the assistance of the T-MATS library. The developed model can represent the behaviour of the gas turbine when operating in a steady-state since the goal is to generate data for different operating conditions and different environmental conditions for subsequent use in a neural network model. The gas turbine model exhibited satisfactory behaviour, with deviations not exceeding 1% when compared to actual operational data. Subsequently, fault conditions were imposed on the model, which provided information about operational parameters of the turbogenerator operating with degradation in some of its components. The data generated by the gas turbine model in MATLAB/Simulink were used to feed a machine learning model for fault diagnosis. The proposed model consists of two parallel feedforward neural networks, one for regression and one for classification. The regression network aims to handle numerical values and the turbine's behaviour, while the classification network aims to identify and classify faults. Both networks performed well for both single and combined fault problems, with mean squared errors not exceeding 5x10-6 for the regression network and a percentage error of 0.37% for the classification network.

Teses
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  • DIEGO MORAIS JUNQUEIRA
  • Influência da inserção de fios de memória de forma em materiais compósitos na resposta ao impacto

  • Orientador : ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MARCIO EDUARDO SILVEIRA
  • MATHEUS BRENDON FRANCISCO
  • RICARDO MELLO DI BENEDETTO
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 31/03/2023

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  • Nas ultimas décadas, tornou-se cada vez mais comum a busca por materiais de alto desempenho, ou seja, materiais que conciliam baixo peso e alta resistência mecânica. Uma
    solução encontrada para esta demanda foram os compósitos reforçados com fibras e matriz polimérica. Entretanto, os materiais compósitos ainda possuem certa deciência quanto a resistência à colisões (crashworthiness) onde uma solução para este problema encontra-se na utilização de materiais inteligentes (smart materials) como as ligas de memória de forma (NiTi) inseridos no laminado. Sendo assim, este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de um equacionamento, utilizando planejamento de experimentos, capaz de prever a capacidade de absorção de energia ao impacto em materiais compósitos de fibra de vidro e matriz de resina epóxi com fios de NiTi inseridos. Além disso, propor um modelo, por meio de simulação numérica pelo método dos elementos finitos (MEF) visando encontrar uma correlação com a análise experimental e consequentemente um modelo confiável para utilização em trabalhos futuros. A seleção da liga de NiTi (Martensítica ou Superelástica) a ser utilizada nos corpos de prova para impacto deu-se pela ferramenta de planejamento de experimentos em arranjo fatorial completo com Análise Dinâmico Mecânica (DMA). Após a seleção do fio estatisticamente adequado (Superelástico), foi realizada a fabricação dos corpos de prova via VARTM com três variáveis de projeto (Diâmetro, Espaçamento e Posição no Laminado) seguindo um arranjo fatorial fracionado e os ensaios de impacto de baixa velocidade para medir a absorção de energia foram conduzidos segundo a norma ASTM D7136. Os resultados obtidos por meio dos ensaios de impacto mostraram que existe um aumento na absorção de energia quando o fio de NiTi esta presente no compósito. Um modelo através de simulação numérica não linear (Análise Dinâmica) foi realizado e seus resultados foram comparados com os obtidos experimentalmente mostrando que existe uma excelente correlação (acima de 95%)


  • Mostrar Abstract
  • In recent decades, the search for high-performance materials has become increasingly common, that is, materials that combine low weight and high mechanical strength. A solution found was composites reinforced with bers and polymeric matrix. However, composite materials still have a certain deciency of crashworthiness where a solution to this problem lies in the use of smart materials such as shape memory alloys (NiTi) inserted into the laminate. Therefore, this work has as main objective the development an equation, using design of experiments, capable of predicting the energy absorption capacity upon impact in composite materials of fiberglass and epoxy resin matrix with inserted NiTi wires. In addition, propose a model, through numerical simulation by the finite element method (FEM) in order to find a correlation with the experimental analysis and consequently a reliable model for use in future work. The selection of the NiTi alloy (Martensitic or Superelastic) to be used in the impact specimens was carried out through the design of experiments in a complete factorial arrangement with Dynamic Mechanical Analysis (DMA). After selecting the statistically adequate wire (Superelastic), the test specimens were manufactured for VARTM with three design variables (Diameter, Spacing and Position in the Laminate) following a fractional factorial arrangement and the dropweight impact test to measure the energy absorption were conducted according to the ASTM D7136 standard. The results obtained through the impact tests showed that there is an increase in energy absorption when the NiTi wire is present in the composite. A model through non-linear numerical simulation (Dynamic Analysis) was carried out and its results were compared with those obtained experimentally, showing that there is an excellent correlation (above 95%)

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  • ANGELO DE SOUZA
  • ESTUDO DA PROGRESSÃO DE DANOS EM MATERIAIS COMPÓSITOS (FIBRA DE CARBONO/EPÓXI) SOB FADIGA EM COMPRESSÃO

  • Orientador : ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MATHEUS BRENDON FRANCISCO
  • RICARDO MELLO DI BENEDETTO
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • VOLNEI TITA
  • Data: 28/04/2023

  • Mostrar Resumo
  • A utilização de materiais compósitos nos mais variados setores industriais tem aumentado consideravelmente nos últimos anos, principalmente os reforçados com tecidos de fibra de carbono/resina epóxi bidirecionais. Estes, nas mais variadas aplicações em que são utilizados, experimentam vários tipos de solicitações possíveis, sendo uma delas, as solicitações em compressão. Com esse uso crescente e relatos de falhas em estruturas, quando submetidos a solicitações em compressão, existe a necessidade de compreender melhor seu comportamento quando expostos a este tipo de solicitação. Neste contexto, um conjunto experimental de dados para mensurar a progressão de danos, considerando, carregamentos cíclicos em compressão de um laminado compósito bidirecional é apresentado, envolvendo desde a caracterização mecânica estática e em fadiga, identificação do limite de deformação em fadiga para vidas até 120.000 ciclos e 240.000 ciclos, mapeamento dos danos por meio de parâmetros de danos extraídos dos ciclos de histerese, dados de gradientes de deformação extraídos por Correlação Digital de Imagens (DIC), dados de temperatura obtidos por câmera termográfica, caracterização dos modos de falha e resultados de um estudo sobre os mecanismos de falha, realizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Embora muitos estudos tenham sido relatados na literatura sobre a progressão de danos em materiais compósitos, muito poucos se concentraram na análise de fadiga por compressão de compósitos bidirecionais, utilizando análises analíticas, numéricas e experimentais. A termografia mostrou-se útil na avaliação rápida do dano por fadiga, e na determinação do limite de resistência à fadiga. Com a obtenção dos ciclos de histerese, um mapeamento da progressão de danos para tensões próximas ao limite de deformação foi realizado, por meio de índice de danos acumulados, fator de perda e degradação da rigidez. Com os mapas de deformações obtidos por DIC, observou-se que as deformações não são uniformes ao longo da superfície da amostra, evidenciando que o material compósito exibe uma heterogeneidade mecânica intrínseca. Por fim, aspectos fractográficos das superfícies de fratura das amostras dos ensaios estáticos, fadiga e de histerese foram analisados por microscopia eletrônica de varredura. As análises mostraram que as superfícies de fratura eram ricas em aspectos fractográficos e o quão importante é o uso desta ferramenta para a compreensão de como a combinação de diferentes mecanismos de falha se interagem e levam a falha do material compósito.


  • Mostrar Abstract
  • The use of composite materials in the most varied industrial sectors has increased considerably in recent years, especially those reinforced with bidirectional carbon fiber/epoxy resin fabrics. These, in the most varied applications in which they are used, experience several types of possible requests, one of them being compression requests. With this increasing use and reports of failures in structures, when submitted to compression requests, there is a need to better understand their behavior when exposed to this type of request. In this context, an experimental set of data to measure damage progression, considering cyclic loads in compression of a bidirectional composite laminate, is presented, involving static and fatigue mechanical characterization, identification of the fatigue deformation limit for lives up to 120,000 cycles and 240,000 cycles, damage mapping through damage parameters extracted from hysteresis cycles, deformation gradient data extracted by Digital Image Correlation (DIC), temperature data obtained by a thermographic camera, characterization of failure modes, and results of a study on the failure mechanisms, performed by scanning electron microscopy (SEM). Although many studies have been reported in the literature on damage progression in composite materials, very few have focused on the analysis of compression fatigue in bidirectional composites using analytical, numerical, and experimental analyses. Thermography proved to be useful in the rapid assessment of fatigue damage and in determining the fatigue strength limit. By obtaining the hysteresis cycles, a mapping of the damage progression for stresses close to the deformation limit was carried out, using the accumulated damage index, loss fator, and stiffness degradation. With the deformation maps obtained by DIC, it was observed that the deformations are not uniform along the surface of the sample, showing that the composite material exhibits an intrinsic mechanical heterogeneity. Finally, fractographic aspects of the fracture surfaces of samples from static, fatigue, and hysteresis tests were analyzed by scanning electron microscopy. The analyses showed that the fracture surfaces were rich in fractographic aspects, and how important is the use of this tool for understanding how the combination of different failure mechanisms interacts and leads to failure of the composite material.

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  • FILIPE AUGUSTO GAIO DE OLIVEIRA
  • INFLUÊNCIA DA FASE β-Al5FeSi NO PROCESSO DE TORNEAMENTO CILÍNDRICO DE UMA LIGA A356-T6 RECICLADA

  • Orientador : MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLOS HENRIQUE LAURO
  • JOSE CARLOS DE LACERDA
  • LINCOLN CARDOSO BRANDÃO
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • SANDRO PEREIRA DA SILVA
  • TARCISIO GONCALVES DE BRITO
  • Data: 22/06/2023

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  • A utilização de ligas de alumínio secundárias (recicladas) vem aumentando a cada ano devido a questões sustentáveis e energéticas envolvidas em sua produção. Um dos maiores problemas na utilização destas ligas está ligado ao alto teor de ferro presente nas mesmas quando comparadas às ligas primárias, produzidas a partir da bauxita. Quando se trata de ligas Al-Si, a presença de teores elevados de silício em conjunto com o ferro propicia a formação da fase -Al5FeSi, conhecida por provocar efeitos negativos ao alumínio, reduzindo sua resistência e ductilidade, o que limita sua aplicação e compromete processos de conformação mecânica. Este trabalho buscou avaliar a influência de elevados teores de ferro em uma liga reciclada durante o processo de usinagem, com o auxílio da técnica de DOE. Para isto, uma liga secundária de alumínio A356 foi refundida com três condições diferentes de contaminação (0,2%, 1% e 3% de peso em ferro) e duas condições de solidificação em molde metálico (em temperatura ambiente e pré-aquecido a 200ºC). Todas as amostras passaram por tratamento térmico de solubilização a 540ºC por 4 horas com resfriamento em água e envelhecimento artificial a 155ºC por 5 horas e resfriamento ao ar. Após tratamento térmico, os corpos de prova foram levados ao MEV para identificação da fase  gerada e posteriormente foram usinados. O torneamento cilíndrico se deu por um delineamento inteiramente casualizado com 4 fatores: 3 níveis de contaminação por ferro, 2 níveis de taxa de resfriamento, 2 níveis de avanço por rotação e 2 níveis de velocidade de corte. Como variáveis de resposta do processo, foram obtidas as forças de corte e de avanço e as rugosidades superficiais Ra, Rz e R3z. A adição de teores de ferro à liga A356 proporcionou reduções significativas nos esforços de corte do processo enquanto os valores de rugosidade não sofreram grandes influências, mas, ainda assim, apresentaram pior aspecto visual após o processo.


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  • The use of secondary (recycled) aluminum alloys has been increasing every year due to sustainable and energy issues involved in their production. One of the biggest problems in the use of these alloys is linked to the high iron content present when compared to primary alloys, produced from bauxite. When it comes to Al-Si alloys, the presence of high levels of silicon with iron favors the formation of the -Al5FeSi phase, known to have negative effects on aluminum, reducing its resistance and ductility, which limits its application and compromises forming processes. This work aimed to evaluate the influence of high iron contents in a recycled alloy during the machining process, with the aid of the DOE technique. For this, a secondary aluminum alloy A356 was remelted with three different contamination conditions (0.2%, 1% and 3% of iron weight) and two solidification conditions in a metallic mold (at room temperature and preheated to 200ºC). All samples underwent solubilization heat treatment at 540ºC for 4 hours with cooling in water and artificial aging at 155ºC for 5 hours and cooling in air. After heat treatment, the test specimens were taken to the SEM to identify the  phase generated and then proceeded to the machining procedure. Cylindrical turning was performed using a completely randomized design with 4 factors: 3 levels of iron contamination, 2 levels of cooling rate, 2 levels of feed rate and 2 levels of cutting speed. As process response variables, cutting and feed forces were obtained, in addition to surface roughness Ra, Rz and R3z. It can be concluded that the addition of iron contents to the A356 alloy provided significant reductions in the cutting forces while the roughness values did not suffer great influences, but, even so, they presented a worse visual aspect after the process.

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  • ADRIANO SILVA BASTOS
  • Análise de viabilidade técnica e econômica da inserção da geração ondomotriz como alternativa sustentável ao planejamento energético de médio e longo prazo

  • Orientador : CARLOS BARREIRA MARTINEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLOS BARREIRA MARTINEZ
  • FREDERICO FABIO MAUAD
  • GUILHERME SOUSA BASTOS
  • JOSE ANTONIO PERRELLA BALESTIERI
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • REGINA MAMBELI BARROS
  • VICTOR FLORES MENDES
  • Data: 23/06/2023

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  • Os mares e oceanos oferecem uma fonte de energia limpa, renovável e amplamente disponível próxima aos principais centros de consumo. Isso a torna uma opção valiosa no processo de transição energética e descarbonização da matriz. Dentre as energias oceânicas, destaca-se a energia das ondas e seu dispositivo conversor coluna de água oscilante (CAO) costeiro. O uso desse dispositivo requer localidades com afloramentos rochosos e uma declividade mais acentuada, a fim de garantir a instalação física do dispositivo e uma menor dissipação energética pelo atrito com o leito marinho. O Brasil possui aproximadamente 7.490 km de costa, apresentando diversas geometrias e geomorfologias de orla, algumas extremamente propícias para a instalação de um CAO. Estima-se que o litoral brasileiro possua uma capacidade de exploração de 114 GW, sendo esses distribuídos entre energia ondomotriz e maremotriz, demonstrando grande potencial para contribuir com o esforço de descarbonização mundial. Este trabalho teve como objetivo identificar e quantificar o potencial energético de locais adequados para a instalação de parques geradores ondomotrizes equipados com o dispositivo CAO costeiro. Para tanto, foi realizada uma prospecção desses locais por meio do software QGIS, e que resultou em um mapa georreferenciado contendo um banco de dados com 319 localidades. Com isso, identificou-se uma capacidade de exploração de 9,73 GW em dez dos dezessete Estados costeiros e uma energia estimada em 83,7 GWh/ano. Esse valor corresponde a duas vezes o consumo de energia do Estado do Rio de Janeiro, o qual possui uma população de aproximadamente 17,5 milhões de habitantes. Conclui-se que, substituir a mesma porção de energia de geração térmica a gás por energia de ondas reduziria as emissões de CO2 em aproximadamente 44,52 milhões de toneladas de gás de efeito estufa anualmente. Esse resultado sugere que a geração ondomotriz pode ser incluída em estudos de expansão sistema elétrico brasileiro, colaborando como um fator de aceleração na transição energética.


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  • Seas and oceans provide a clean and renewable energy source widely accessible near major consumption centers. This source offers a valuable option in the energy transition and decarbonization process. Wave energy, along with the Oscillating Water Column (OWC) onshore device, is one of the most prominent forms of ocean energy. The implementation of this device requires locations with rocky outcrops and a steeper slope to ensure the physical installation and reduce energy dissipation due to friction with the seabed. Brazil has approximately 7,490 km of coastline with varied coastal geometries and geomorphologies, some highly suitable for OWC installation. It is estimated that the Brazilian coastline has an exploitable capacity of 114 GW, divided between wave and tidal energy, and this potential is considered to be of great importance for supporting global decarbonization efforts. This study aimed to identify and quantify the energy potential of suitable locations for installing wave energy farms equipped with the OWC onshore device. These locations were surveyed using QGIS software, resulting in a georeferenced map with a database of 319 sites. The survey revealed an exploitable capacity of 9.73 GW in ten of the seventeen coastal states, with an estimated energy output of 83.7 GWh per year, equivalent to two times the energy consumption of the State of Rio de Janeiro, which has a population of approximately 17.5 million. It is concluded that replacing the same amount of gas-fired thermal energy with wave energy would reduce CO2 emissions by about 44.52 million tons of greenhouse gases per year. This result suggests that wave power generation can be included in studies on the expansion of the Brazilian electricity system, acting as a catalyst in the energy transition.

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  • ANDERSON WESLEI DA CRUZ
  •  Formação de Revestimentos para Altas Temperaturas no Aço Inoxidável Martensítico X22 utilizando a Técnica HAPC

  • Orientador : GILBERT SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GILBERT SILVA
  • ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • BRUNO XAVIER DE FREITAS
  • GEOVANI RODRIGUES
  • GILBERTO CARVALHO COELHO
  • NABIL CHAIA
  • Data: 28/06/2023

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  • O aço X22 é uma liga metálica pertencente à classe dos aços inoxidáveis martensíticos, sendo amplamente utilizado na construção de máquinas e equipamentos que operam em altas temperaturas. No entanto, para temperaturas próximas de seu limite operacional, sua resistência à oxidação é bastante limitada, o que compromete seu uso prático. Neste trabalho, propôs-se a melhorar a resistência à oxidação do aço X22, utilizando a técnica de revestimento por aluminização via HAPC. Os parâmetros de processo utilizados no HAPC basearam-se nas ligas mães doadoras de alumínio puro (Al) e alumínio-cromo (Al-Cr), com variações de temperatura e tempo entre 650-800 °C e 4-36 h, respectivamente. Para ativação dos processos, foram utilizados os sais NH4Cl, NaCl e KCl. Além disso, as condições termodinâmicas para deposição do alumínio nos processos HAPC foram avaliadas utilizando o software HSC Chemistry. Os resultados alcançados mostraram a viabilidade para a formação de revestimentos de interesse prático no aço X22, empregando ambas as ligas mães. Assim, ao utilizar o alumínio puro (Al) como liga mãe, foram obtidos revestimentos na temperatura de 800 °C, com os tempos de processo de 16 h e 36 h, e sendo ativados com os sais NaCl e KCl. As espessuras aluminizadas variaram entre 50-85 µm, formando para maioria dos casos um gradiente composicional de alumínio nas fases Fe2Al5, FeAl e Fe3Al. Em relação à liga mãe de Al-Cr, obteve-se revestimento em apenas uma condição, sendo utilizada a temperatura de 750 °C, por 36 h e ativado pelo sal NH4Cl. A espessura aluminizada foi de 50 µm, com a formação das fases dúcteis FeAl e Fe3Al. Para essa condição, foi possível diminuir a temperatura de processo, permitindo preservar as propriedades do Aço X22. Nos testes de oxidação realizados a 800 °C por 288 h e sob atmosfera ambiente (em ar), os revestimentos formados no aço X22 proporcionaram uma proteção satisfatória em altas temperaturas. Assim, os ganhos de massa variaram entre 0,71-2,20 mg/cm² para os revestimentos formados com o uso do alumínio puro (Al) como liga mãe e de 5,10 mg/cm² para o revestimento formado com o uso da liga mãe de alumínio-cromo (Al-Cr). O aço X22 sem revestimento apresentou um ganho de massa de 47,27 mg/cm². Em relação ao efeito da temperatura utilizada nos processos HAPC sobre a microestrutura e dureza do aço X22, foram observadas pequenas alterações na máxima temperatura de processo de 800 °C. No entanto, um modo proposto de resfriamento externo ao forno (REF) após os processos HAPC permitiu preservar adequadamente a dureza do aço X22.


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  • X22 steel is a metallic alloy classified as a martensitic stainless steel, commonly utilized in the construction of machinery and equipment operating at high temperatures. However, its resistance to oxidation is significantly limited at temperatures near its operational limit, compromising its practical applications. In this study, the objective was to enhance the oxidation resistance of X22 steel using the aluminization coating technique via HAPC. The process parameters for HAPC were based on pure aluminum (Al) and aluminum-chromium (Al-Cr) donor masteralloys. Temperature and time variations ranged between 650-800 °C and 4-36 h, respectively. NH4Cl, NaCl, and KCl salts were employed to activate the processes. Additionally, thermodynamic conditions for aluminum deposition in HAPC processes were evaluated using HSC Chemistry software. The results obtained demonstrate the viability of forming coatings with practical significance on X22 steel using both masteralloys. When utilizing pure aluminum (Al) as the masteralloy, coatings were achieved at a temperature of 800 °C, with process times of 16 and 36 h, activated with NaCl and KCl salts. The aluminized thickness varied between 50-85 µm, forming a compositional gradient of aluminum in the Fe2Al5, FeAl, and Fe3Al phases in most cases. As for the Al-Cr masteralloy, a coating was obtained under specific conditions: a temperature of 750 °C for 36 h, activated by NH4Cl salt. The aluminized thickness was 50 µm, with the formation of ductile phases FeAl and Fe3Al. This condition allowed for a reduction in process temperature while preserving the properties of X22 steel. In oxidation tests conducted at 800 °C for 288 h under ambient atmosphere (in air), the coatings on X22 steel provided satisfactory protection at high temperatures. Mass gains varied between 0.71-2.20 mg/cm² for the coatings formed using pure aluminum (Al) as the masteralloy and 5.10 mg/cm² for the coating formed using aluminum-chromium (Al-Cr) as the masteralloy. Uncoated X22 steel exhibited a mass gain of 47.27 mg/cm². Regarding the effect of the temperature used in HAPC processes on the microstructure and hardness of X22 steel, minor changes were observed at the maximum process temperature of 800 °C. However, implementing a proposed mode of external furnace cooling (REF) after HAPC processes allowed for adequate preservation of the hardness of X22 steel.

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  • ALISSON APARECIDO VITORIANO JULIO
  • AVALIAÇÃO DE CENÁRIOS DE DESCARBONIZAÇÃO NO SETOR DE GERAÇÃO TERMELÉTRICA NO BRASIL UTILIZANDO TECNOLOGIAS DE CAPTURA DE CO2 PÓS-COMBUSTÃO POR ABSORÇÃO QUÍMICA.

  • Orientador : JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • JOSÉ JOAQUIM CONCEIÇÃO SOARES SANTOS
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • SILVIA AZUCENA NEBRA DE PEREZ
  • THAIS SUZANE MILESSI ESTEVES
  • Data: 14/08/2023

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  • Diante da necessidade de minimizar os impactos ambientais do setor de geração de eletricidade, do baixo número de estratégias para a descarbonização do setor termelétrico brasileiro, decidiu-se analisar as tecnologias de Captura, Sequestro e Utilização de CO2, como ferramentas de descarbonização no cenário nacional, especificamente, para Usinas Termelétricas que operam com carvão nacional. A metodologia incluiu indicadores termodinâmicos e econômicos, além de avaliações acerca dos trade-offs entre desempenho e custos, da tomada de decisão e dos impactos na eficiência, geração e custos de operar a malha térmica brasileira integrada às tecnologias de Captura de Carbono. Os resultados indicaram que, independentemente do índice de captura, o desempenho econômico inviabiliza a competitividade de uma central termelétrica integrada à cadeia de processos referente à Captura, Sequestro e Utilização de CO2. A adaptação das plantas de geração causou entre 9% e 40% de decréscimo na eficiência do ciclo de potência; e entre 14% e 61% de penalidade energética. Essa penalidade resultou também na penalidade econômica, que elevou o custo de geração de 37 USD/MWh para até 118 USD/MWh, considerando as condições dos Cenários Futuros. Concluiu-se que ações em busca de diminuir o consumo energético são mandatórias para promover a competitividade econômica da captura por absorção química. Também há de se mencionar que o uso de Piperazina se mostrou favorável economicamente, pois implica em menores equipamentos; e, também, se apresenta como melhor solução para índices de captura referentes à neutralidade em carbono. A interferência governamental deve ser baseada em ações além das políticas de subsídio, as quais não se mostraram relevantes. Mostrou-se que a estratégia de aplicação das tecnologias de Captura de Carbono no Brasil seria capaz de evitar entre 6 e 6,5% das emissões na Região Sul do Brasil. Entretanto, até 58% do investimento anunciado para fins de descarbonização nos próximos anos seria comprometido.


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  • In face of the necessity for the minimization of the environmental impacts in the power sector, of the low and slow pace of strategies formulation for Brazilian decarbonization, this work was placed and justified. The main goal resides in analyze CO2 Capture by Chemical Absorption as an available technological tool for decarbonization in the Brazilian Power Plants, especially, the National Coal-fired Power Plants. Thermodynamic, economic indicators, discussions over performance and costs trade-offs, decision-making, and the impacts of the Carbon, Capture, Utilization and Storage had on the Power Plants typical operation were applied as a methodology for holistic evaluation of such the proposition. The results pointed out that independent of the capture index, post-combustion capture by chemical absorption is unviable due to economic performance. The retrofit cause to the Power Plants efficiency decay between 9% and 40%, and from 14% to 61% energy penalty. The energy penalty was reflected in economic penalty, leading the electricity production cost from 37 to 118 USD/MWh, when Future Scenarios were addressed. Therefore, it was concluded that further action must be taken to decrease energy demand in CO2 capture in order to reach economic competitiveness with chemical absorption. Moreover, the use of Piperazine was economic favorable due to its properties that implied smaller piece of equipment, and also due to its better performance for higher capture rate indexes. Governmental action is expected, however, must be beyond simple subsidies, which were merely relevant for economic penalty. Furthermore, it is shown that the strategy of Carbon Capture systems for Brazil would avoid between 6% and 6,5% of emissions in the South Region. However, to take such undertaking, the equivalent of 58% of announce investment for decarbonization might be compromised.

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  • FLÁVIO AMAURY DE FREITAS MATOS
  • Avaliação da corrosão eletroquímica dos metais duros WC-Ni-Al , WC-Ni-Si e WC-Co produzidos por metalurgia do pó convencional.

  • Orientador : EDMILSON OTONI CORREA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDMILSON OTONI CORREA
  • GILBERT SILVA
  • NEIDE APARECIDA MARIANO
  • RENATA NEVES PENHA
  • VANESSA BAWDEN DE PAULA MACANHAN DE ARRUDA
  • Data: 01/12/2023

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  • Os metais duros são formados pela associação de partículas de pó muito finas de carbonetos duros com metais tenazes. Geralmente são compostos por carboneto de tungstênio (WC), que proporciona elevada dureza e resistência ao desgaste, e cobalto, que aumenta a tenacidade do material. Devido a essa boa combinação de propriedades, podem ser aplicados em diversas áreas de engenharia, como usinagem, mineração e construção civil, diminuindo os custos e aumentando a vida útil de ferramentas, quando comparados ao aço convencional. O cobalto é o ligante mais utilizado nos metais duros devido à sua superioridade em relação aos outros ligantes em vários fatores, tais como: boa molhabilidade no WC, alta solubilidade do WC em cobalto na temperatura de sinterização e, sobretudo, a largura da janela de carbono. No entanto, diversas pesquisas em busca de ligantes alternativos ao cobalto têm sido realizadas, pois a resistência à corrosão dos metais duros convencionais de carboneto de tungstênio/cobalto não é satisfatória em certas aplicações, como nas indústrias química e de alimentos. Deste modo, este trabalho comparou o comportamento à corrosão dos metais duros WC-NiSi, WC-NiAl com o do metal duro convencional WC-Co. As amostras foram caracterizadas por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de raios X por dispersão de energia, difração de raios X e ensaios de microdureza Vickers. As microscopias de todas as amostras apresentaram uma microestrutura típica de metal duro, com uma distribuição apropriada do ligante pelos grãos de WC facetados e sem a presença das fases indesejáveis grafita e η. A inserção de alumínio e silício ao ligante de níquel aumentou consideravelmente a dureza do metal duro, com a amostra com silício proporcionando valores de dureza similares ao do metal duro WC-Co. Todas as amostras apresentaram diminuições contínuas nas taxas de perda de massa durante o período de ensaio de corrosão por imersão, com a amostra de WC-NiAl apresentando a melhor resistência à corrosão neste ensaio. Nos ensaios eletroquímicos de potencial de circuito aberto, polarização potenciodinâmica linear e espectroscopia de impedância eletroquímica, as amostras com ligante de níquel apresentaram potenciais mais nobres, diminuição nos valores de densidade de corrente e uma impedância total superior a amostra com cobalto. A amostra de WC-NiAl apresentou a melhor resistência à corrosão, com a melhor resposta tanto no ensaio de imersão quanto nos ensaios eletroquímicos.


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  • Cemented carbides are formed by the association of very fine powdered particles of hard carbides with tough metals. They are generally composed by tungsten carbide, which provides high hardness and wear resistance, and cobalt, which increases the material's tenacity. Due to this good combination of properties, they can be applied in several engineering areas, such as machining, mining and construction industry, reducing costs and increasing the useful life of tools, when compared to conventional steel. Cobalt is the most used binder in cemented carbides due to its superiority in relation to other binders in several factors, such as: good wettability in WC, high solubility of WC in cobalt at the sintering temperature and, above all, the width of the carbon window. However, several researches have been carried out searching for alternative binders to cobalt, as the corrosion resistance of conventional tungsten carbide/cobalt cemented carbides is not satisfactory in certain applications, such as the chemical and food industries. Thus, this study compared the corrosion behavior of WC-NiSi, WC-NiAl cemented carbides with that of conventional cemented carbide WC-Co. Samples were characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction and Vickers microhardness tests. Microscopy of all the samples showed a typical carbide microstructure, with an appropriate distribution of the binder by the faceted WC grains and without the presence of the undesirable graphite and η phases. The addition of aluminum and silicon to the nickel binder considerably increased the cemented carbide hardness, with the silicon sample providing hardness values similar to cemented carbide WC-Co. All samples showed continuous decreases in weight loss rates during the immersion corrosion test period, with the WC-NiAl sample showing the best corrosion resistance in this test. In the electrochemical tests of open circuit potential, potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy, the samples with nickel binder showed nobler potentials, decrease in current density values and a total impedance higher than the sample with cobalt. The WC-NiAl sample showed the best corrosion resistance, with the best response in both the immersion test and in the electrochemical tests.

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  • LETICIA DE OLIVEIRA SILVA DELLA COLLETTA
  • Análise e Otimização da Gaseificação de Borras de Petróleo Utilizando Modelagem CFD

  • Orientador : OSVALDO JOSE VENTURINI
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DIEGO MAURICIO YEPES MAYA
  • GAYLORD ENRIQUE CARRILLO CABALLERO
  • NEIDE APARECIDA MARIANO
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • RUBENILDO VIEIRA ANDRADE
  • Data: 15/12/2023

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  • A gaseificação de borra oleosa de petróleo é uma tecnologia relativamente nova e pouco utilizada, principalmente quando comparada com técnicas de disposição como incineração e aterramento. Este trabalho apresenta o estudo da gaseificação da borra de petróleo utilizando ar como agente de gaseificação, através da modelagem CFD, com a otimização das características do gaseificador e parâmetros de operação onde se pretende maximizar o poder calorífico do gás resultante. A partir da caracterização deste material, foram calculados sua energia de ativação e fator pré-exponencial, também sendo desenvolvido um método de modelagem para a reação de devolatilização da borra oleosa. Estes dados foram introduzidos no modelo CFD para seu ajuste ao material. A geometria utilizada foi desenvolvida com base no gaseificador presente no Laboratório de Gaseificação de Combustíveis Sólidos da UNIFEI. Foi desenvolvido um modelo reativo multifásico bidimensional Euler-Lagrangiano, utilizando o modelo de transporte de espécies para a descrição da cinética química dentro do gaseificador. Inicialmente o fator de ar foi variado dentro da faixa de gaseificação, sendo encontrado o maior poder calorífico com 0,38 de fator de ar, obtendo-se um gás de 3,8 MJ/Nm3. Após a análise inicial, foi realizada a otimização dos parâmetros de operação e dimensionais para encontrar o ponto de maior poder calorífico, com variação da altura do gaseificador, diâmetro de partícula combustível e temperatura de parede, além do fator de ar. O maior poder calorifico do gás foi encontrado para 1,85 m de altura do gaseificador, partícula combustível com 0,1 mm de diâmetro, temperatura de parede de 337 °C e 0,23 de fator de ar. Neste ponto o poder calorífico foi elevado para 5,32 MJ/Nm3, sendo um aumento de 42% em relação ao melhor resultado obtido antes da otimização. A otimização demonstrou como a variação dos parâmetros pode ajudar a elevar a quantidade de energia produzida neste sistema ainda que utilizando apenas ar como agente oxidante, assim como apresenta um ponto de partida para futura aumento de escala na produção de gás combustível a partir de resíduos da indústria de petróleo.


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  • The gasification of petroleum sludge is a relatively new and underutilized technology, especially when compared to disposal techniques such as incineration and landfilling. This study presents the gasification of petroleum sludge using air as the gasification agent, through Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling, with the optimization of gasifier characteristics and operating parameters aimed at maximizing the heating value of the resulting gas. Characterization of this material included the calculation of its activation energy and pre-exponential factor, and a modeling method was developed for the devolatilization reaction of petroleum sludge. These data were incorporated into the CFD model for adjustment to the material. The geometry used was developed based on the gasifier present in the Laboratory of Solid Fuel Gasification at UNIFEI. A two-dimensional Euler-Lagrangian multiphase reactive model was developed, using the species transport model to describe chemical kinetics within the gasifier. Initially, the air factor was varied within the gasification range, and the highest heating value was found with an air factor of 0.38, resulting in a gas with 3.8 MJ/Nm3. After the initial analysis, the operational parameters were optimized to find the point of maximum heating value, varying the gasifier height, fuel particle diameter, wall temperature, and air factor. The highest gas heating value was found for a gasifier height of 1.85 m, a fuel particle with a 0.1 mm diameter, a wall temperature of 337 °C, and an air factor of 0.23. At this point, the heating value was increased to 5.32 MJ/Nm3, a 42% increase compared to the best result obtained before optimization. The optimization showed how these parameters variation can help increase the energy produced in this system, even when using only air as the oxidizing agent. It also provides a starting point for future scale-up in the production of combustible gas from petroleum industry waste.

2022
Dissertações
1
  • FÁBIO SILVA FARIA
  • Estimação do Aporte de Calor em Processo de Soldagem por Descarga Capacitiva Usando Técnica de Problema Inverso

  • Orientador : SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANDRÉ GUIMARAES FERREIRA
  • BRUNO DE CAMPOS SALLES ANSELMO
  • EDMILSON OTONI CORREA
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • Data: 16/02/2022

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  • Apresenta-se neste trabalho um procedimento experimental e numérico para estimação do aporte térmico no processo de soldagem por descarga capacitiva de termopares. O objetivo do trabalho é promover melhorias em um dispositivo importante na medição de temperaturas, o termopar. O trabalho propõe melhoria na fixação desse dispositivo em metais e propõe também a estimação da energia necessária para soldá-lo com eficácia. O modelo térmico utilizado é baseado na equação da difusão de calor tridimensional transiente com mudança de fase, modelada em função da entalpia. As propriedades térmicas do cromel e alumel, materiais que compõem os dois fios dos termopares tipo K, foram consideradas dependentes da temperatura. O modelo foi resolvido usando o programa COMSOL Multiphisics. A equação da curva de potência em relação ao tempo foi definida a partir de conceitos teóricos de descarga de capacitores. A técnica de problema inverso não linear usada para resolver o problema de condução de calor foi o Método da Função Especificada iterativa. Esta técnica estima o fluxo de calor que minimiza uma função objetivo, definida como o quadrado da diferença da temperatura experimental e numérica para cada intervalo de tempo. Um código numérico foi usado no MATLAB em conjunto com o software COMSOL Multiphisics para a aplicação da técnica de problema inverso. O método experimental foi utilizado para obter temperaturas próximas da região de soldagem, as quais foram utilizadas na execução da técnica de problema inverso. Para calcular a eficiência do processo foram utilizados a integral da potência estimada pelo tempo, a qual define a energia em forma de calor utilizada na fusão dos fios dos termopares, e a energia armazenada no BC (Banco de Capacitores) do equipamento, definido por conceitos de eletricidade. A metodologia proposta foi viável para a estimação do aporte térmico e eficiência para o processo de soldagem por descarga capacitiva. A taxa de calor foi estimada a partir de dados experimentais de temperaturas, as temperaturas calculadas computacionalmente, a partir da taxa de calor estimada, apresentaram baixa diverência em relação aos dados experimentais. Além disso, apresenta-se o desenvolvimento de um equipamento de soldagem por descarga capacitiva. O equipamento consiste em um BC que armazena a energia fornecida por uma fonte chaveada. A quantidade de energia armazenada no BC é  controlada por um microcontrolador Arduíno. A interface do equipamento conta com um display de cristal líquido e uma botoeira, os quais possibilitam que o operador selecione o tipo de termopar que deseja soldar. Este equipamento foi capaz de soldar termopares com bitolas de até 24 AWG, correspondente ao diâmetro de 0,511 mm.


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  • This work presents an experimental and numerical procedure for estimating the thermal input in the capacitive discharge welding process of K-type thermocouples wire. The objective of the work is to promote improvements in a device at the important temperature, the thermocouple. The work of proposed improvement in the solution of this in metals and also of possible energy solution of risk solution. The thermal model used is based on the equation of transient three-dimensional heat diffusion with phase change, modeled as a function of enthalpy. The thermal properties of chromel and alumel, materials that make up the two wires of k-type thermocouples, were considered temperature-dependent. The model was solved using the program COMSOL Multiphysics. The equation of the power curve in relation to time was defined from theoretical concepts of capacitor discharge. The nonlinear inverse problem technique used to solve the heat conduction problem was the iterative Function Specification Method. This technique estimates the heat rate that minimizes an objective function, defined as the square of the experimental and numerical temperature difference for each time interval. A numerical code was used in MATLAB together with software COMSOL Multiphysics to applied the inverse problem technique. The experimental method was used to obtain temperatures close to the welding region, which were used to apply the inverse problem technique. To calculate the efficiency of the process, the integral of the power estimated by time was used, and the energy stored in the capacitors bank of the equipment, defined by concepts of electricity. The proposed methodology was able for estimating the thermal input and efficiency for the capacitive
    discharge welding process.The heat rate was estimated from experimental temperature data, the temperatures calculated computationally, from the estimated heat rate, showed low divergence in relation to the experimental data. In addition, the development of a capacitive discharge welding equipment is presented. The equipment consists of a capacitors bank that stores the energy supplied by a switched source. The amount of energy stored
    in capacitors bank is controlled by an Arduino microcontroller. The equipment interface has a liquid crystal display and a button, which allow the operator to select the type of thermocouple he wants to weld. This equipment was able to weld thermocouples wire thicker than 24 AWG.

2
  • RONNY FRANCIS RIBEIRO JUNIOR
  • Detecção e diagnóstico de falhas baseado em aprendizado de máquina em motores elétricos

  • Orientador : GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • MARCUS VINICIUS GIRÃO DE MORAIS
  • Data: 16/02/2022

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  • O diagnóstico de falhas é fundamental para qualquer indústria de manutenção, a detecção precoce de falhas pode evitar falhas catastróficas, bem como perda de tempo e dinheiro. Tendo em vista esses objetivos, a análise de vibração através do domínio da frequência é uma técnica madura. Embora bem estabelecidos, os métodos tradicionais envolvem um alto custo de tempo e pessoas para identificar falhas, fazendo com que os métodos de aprendizado de máquina cresçam nos últimos anos. Os métodos de Machine learning (ML) podem ser divididos em dois grandes grupos de aprendizagem: supervisionado e não supervisionado, sendo a principal diferença entre eles é o conjunto de dados que está rotulado ou não. Este estudo apresenta um total de quatro métodos diferentes para detecção e diagnóstico de falhas. A análise da frequência do sinal de vibração foi a primeira abordagem empregada. foi escolhida para validar os resultados futuros dos métodos de ML. O Gaussian Mixture Model (GMM) foi empregado para a técnica não supervisionada. O GMM é um modelo probabilístico em que todos os pontos de dados são considerados gerados por um número finito de distribuições gaussianas com parâmetros desconhecidos. Para a aprendizagem supervisionada, foi utilizada a Convolutional Neural Network (CNN). CNNs são redes feedforward que foram inspiradas por processos de reconhecimento de padrões biológicos. Todos os métodos foram testados por meio de uma série de experimentos com motores elétricos reais. Os resultados mostraram que todos os métodos podem detectar e classificar os motores em várias condições de operação induzida: íntegra, desequilibrado, folga mecânica, desalinhamento, eixo empenado, barra quebrada e condição de falha do rolamento. Embora todas as abordagens sejam capazes de identificar a falha, cada técnica tem benefícios e limitações que as tornam melhores para certos tipos de aplicações, por isso, também e feita uma comparação entre os métodos.


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  • Fault diagnosis is critical to any maintenance industry, as early fault detection can prevent catastrophic failures as well as a waste of time and money. In view of these objectives, vibration analysis in the frequency domain is a mature technique. Although well established, traditional methods involve a high cost of time and people to identify failures, causing machine learning methods to grow in recent years. The Machine learning (ML) methods can be divided into two large learning groups: supervised and unsupervised, with the main difference between them being whether the dataset is labeled or not. This study presents a total of four different methods for fault detection and diagnosis. The frequency analysis of the vibration signal was the first approach employed. This analysis was chosen to validate the future results of the ML methods. The Gaussian Mixture model (GMM) was employed for the unsupervised technique. A GMM is a probabilistic model in which all data points are assumed to be generated by a finite number of Gaussian distributions with unknown parameters. For supervised learning, the Convolution neural network (CNN) was used. CNNs are feedforward networks that were inspired by biological pattern recognition processes. All methods were tested through a series of experiments with real electric motors. Results showed that all methods can detect and classify the motors in several induced operation conditions: healthy, unbalanced, mechanical looseness, misalignment, bent shaft, broken bar, and bearing fault condition. Although all approaches are able to identify the fault, each technique has benefits and limitations that make them better for certain types of applications, therefore, a comparison is also made between the methods.

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  • RONNY FRANCIS RIBEIRO JUNIOR
  • Detecção e diagnóstico de falhas baseado em aprendizado de máquina em motores elétricos

  • Orientador : GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MARCUS VINICIUS GIRÃO DE MORAIS
  • Data: 16/02/2022

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  • O diagnóstico de falhas é fundamental para qualquer indústria de manutenção, a detecção precoce de falhas pode evitar falhas catastróficas, bem como perda de tempo e dinheiro. Tendo em vista esses objetivos, a análise de vibração através do domínio da frequência é uma técnica madura. Embora bem estabelecidos, os métodos tradicionais envolvem um alto custo de tempo e pessoas para identificar falhas, fazendo com que os métodos de aprendizado de máquina cresçam nos últimos anos. Os métodos de Machine learning (ML) podem ser divididos em dois grandes grupos de aprendizagem: supervisionado e não supervisionado, sendo a principal diferença entre eles é o conjunto de dados que está rotulado ou não. Este estudo apresenta um total de quatro métodos diferentes para detecção e diagnóstico de falhas. A análise da frequência do sinal de vibração foi a primeira abordagem empregada. foi escolhida para validar os resultados futuros dos métodos de ML. O Gaussian Mixture Model (GMM) foi empregado para a técnica não supervisionada. O GMM é um modelo probabilístico em que todos os pontos de dados são considerados gerados por um número finito de distribuições gaussianas com parâmetros desconhecidos. Para a aprendizagem supervisionada, foi utilizada a Convolutional Neural Network (CNN). CNNs são redes feedforward que foram inspiradas por processos de reconhecimento de padrões biológicos. Todos os métodos foram testados por meio de uma série de experimentos com motores elétricos reais. Os resultados mostraram que todos os métodos podem detectar e classificar os motores em várias condições de operação induzida: íntegra, desequilibrado, folga mecânica, desalinhamento, eixo empenado, barra quebrada e condição de falha do rolamento. Embora todas as abordagens sejam capazes de identificar a falha, cada técnica tem benefícios e limitações que as tornam melhores para certos tipos de aplicações, por isso, também e feita uma comparação entre os métodos.


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  • Fault diagnosis is critical to any maintenance industry, as early fault detection can prevent catastrophic failures as well as a waste of time and money. In view of these objectives, vibration analysis in the frequency domain is a mature technique. Although well established, traditional methods involve a high cost of time and people to identify failures, causing machine learning methods to grow in recent years. The Machine learning (ML) methods can be divided into two large learning groups: supervised and unsupervised, with the main difference between them being whether the dataset is labeled or not. This study presents a total of four different methods for fault detection and diagnosis. The frequency analysis of the vibration signal was the first approach employed. This analysis was chosen to validate the future results of the ML methods. The Gaussian Mixture model (GMM) was employed for the unsupervised technique. A GMM is a probabilistic model in which all data points are assumed to be generated by a finite number of Gaussian distributions with unknown parameters. For supervised learning, the Convolution neural network (CNN) was used. CNNs are feedforward networks that were inspired by biological pattern recognition processes. All methods were tested through a series of experiments with real electric motors. Results showed that all methods can detect and classify the motors in several induced operation conditions: healthy, unbalanced, mechanical looseness, misalignment, bent shaft, broken bar, and bearing fault condition. Although all approaches are able to identify the fault, each technique has benefits and limitations that make them better for certain types of applications, therefore, a comparison is also made between the methods.

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  • BRUNO DA SILVA BUNYA
  • Análise Termodinâmica de Sistemas BECCS no Setor Sucroenergético

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • CÉSAR ADOLFO RODRÍGUEZ SOTOMONTE
  • JOSE ANTONIO PERRELLA BALESTIERI
  • JUAN JOSE GARCIA PABON
  • THIAGO GOTELIP CORREA VELOSO
  • Data: 24/02/2022

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  • No Acordo de Paris de 2015 o Brasil se comprometeu a reduzir suas emissões de GEE
    (gases de efeito estufa) em 37% até 2030 e de 43% até 2050 em relação a 2005, reforçando no evento da Cúpula do Clima de 2021 suas metas de redução a emissões zero até 2050. Sistemas de bioenergia com captura de carbono e armazenagem (BECCS) serão fundamentais para que os países consigam cumprir com as metas de redução de emissões de gases estabelecidas no Acordo de Paris. O Brasil é considerado o maior produtor mundial de cana-de-açúcar com 39% de participação. Para sistemas BECCS, o método de captura de dióxido de carbono (CO2) por absorção química é a abordagem mais promissora entre as tecnologias disponíveis comercialmente no curto e médio prazo. Este trabalho tem como objetivo realizar uma análise termodinâmica de diferentes configurações de um sistema BECCS com método de captura póscombustão por absorção química (Monoetanolamina-MEA) a partir da queima do bagaço e palha de cana-de-açúcar. Softwares comerciais Aspen Plus®, Aspen Hysys® e Matlab foram utilizados para a simulação de diferentes configurações do sistema BECCS, abrangendo a combustão da biomassa, CCS (Sistema de Captura de Carbono) e sete diferentes configurações do ciclo Rankine com cogeração. Três cenários de maturidade tecnológica do processo de produção de álcool e açúcar foram considerados na análise. Método estocástico e análise paramétrica foram aplicados tendo como principais indicadores de desempenho avaliados a geração de potência elétrica líquida, captura de CO2 e emissão específica por unidade de energia gerada. As análises evidenciaram um conflito entre geração de potência elétrica líquida e captura de carbono para todos os cenários e configurações avaliadas. Cenários onde há maior disponibilidade de calor em decorrência do processo de produção de álcool e açúcar serem mais eficientes permitiram favorecer a captura de carbono. Extrair vapor das turbinas para suprir a demanda térmica e elétrica do CCS juntamente com o processo implicaram em alta penalidade de potência elétrica líquida gerada pela planta.


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  • In the 2015 Paris Agreement, Brazil pledged to reduce its GHG (greenhouse gas) emissions by 37% by 2050 and by 43% by 2030 compared to 2005, reinforcing its targets for reduction to zero emissions by 2050. Bioenergy systems with carbon capture and storage (BECCS) will be essential for countries to be able to meet the gas emission reduction targets established in the Paris Agreement. Brazil is considered the world's largest sugarcane producer with a 39% share. For BECCS systems, the carbon dioxide (CO2) capture method by chemical absorption is the most promising approach among the commercially available technologies in the short and medium term. This work aims to carry out a thermodynamic analysis of different configurations of a BECCS system with a chemical absorption post-combustion capture method (Monoethanolamine-MEA) from the burning of sugarcane bagasse and straw. Commercial software Aspen Plus®, Aspen Hysys® and Matlab were used to simulate different configurations of the BECCS system, covering biomass combustion, CCS (Carbon Capture System) and seven different configurations of the Rankine cycle with cogeneration. Three scenarios of technological maturity of the alcohol and sugar production process were considered in the analysis. Stochastic method and parametric analysis were applied having as main performance indicators evaluated the generation of net electric power, CO2 capture and specific emission per unit of energy generated annually. The analyzes evidenced a tradeoff between net electric power generation and carbon capture for all evaluated scenarios and configurations. Scenarios where there is greater availability of heat as a result of the alcohol and sugar production process being more efficient have been shown to favor carbon capture. Extracting steam from the turbines to supply the thermal and electrical demand of the CCS together with the process implied a high net electrical power penalty generated by the plant

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  • LUIZ FILIPE ALMEIDA ROQUE
  • Modelagem e análise do ciclo de vida da produção e comercialização de Diesel Verde (HVO) e sua aplicação no modo Dual-Fuel com Etanol em motores de ignição por compressão

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MONA LISA MOURA DE OLIVEIRA
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • JUAN JOSE GARCIA PABON
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • Data: 25/02/2022

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  • A utilização de fontes limpas e renováveis é uma prática que ganha cada vez mais espaço e visibilidade tratando-se do setor de geração de energia. Diariamente, recursos são despendidos em busca de novas tecnologias e novos combustíveis que se adequem às exigências de redução de emissão de poluentes, emissão de gás carbônico e uma política de desenvolvimento sustentável. Dentre as soluções encontradas, a utilização de biomassas como fontes de energia e tecnologias aprimoradas para a combustão, como a técnica Dual-Fuel, são opções que promovem a descarbonização e a redução de emissões de gases poluentes no geral. Neste contexto, no presente trabalho objetivou-se o estudo experimental do HVO como combustível renovável a ser aplicado em um motor de combustão interna monocilíndrico, de maneira pura ou em Dual-Fuel com o etanol hidratado, em uma bancada dinamométrica, onde foram avaliados parâmetros de desempenho e emissão de gases poluentes e também realizada a Avaliação do Ciclo de Vida do berço ao túmulo do HVO. A metodologia adotada consistiu no desenvolvimento de uma bancada de teste com instrumentação, métodos de análise dos dados e cálculo das incertezas de medição, incluindo planejamento de ensaios voltado para aplicação de moto-geradores, e análise dos parâmetros de interesse. Foram realizados testes utilizando o HVO puro em comparação ao Diesel convencional puro e testes utilizando a combustão dual de Diesel-Etanol e HVO-Etanol. Para a Avaliação do Ciclo de Vida, foi utilizado o software SimaPro 9 e o método de cálculo ReCiPe 2016 Midpoint (E). Os resultados obtidos com o HVO puro apresentaram reduções dos níveis específicos de emissões de NOx, HC, CO e material particulado (MP) de 30%, 75%, 81% e 55,3%, respectivamente. A redução ocorre por conta das propriedades físico-químicas do biocombustível, como a ausência de compostos aromáticos e maior número de cetano que o diesel comercial. A aplicação Dual-Fuel proporciona redução significativa das emissões de CO2, NOX e MP. A análise de ciclo de vida mostrou que o HVO puro produzido a partir do óleo de palma possui desempenho ambiental superior ao da soja, com redução do Potencial de Aquecimento Global em até 75%. Categorias de impacto como Acidificação Terrestre, Formação de Ozônio e Consumo de recursos não renováveis reduzem quando comparados ao diesel mineral. O impacto ambiental da operação ¬Dual-Fuel¬ apresenta diminuição dos níveis de Potencial de Aquecimento Global, Depleção de Recursos Fósseis e Formação de Ozônio.


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  • The use of clean and renewable sources is a practice that is gaining more and more space and visibility in the energy generation sector. Resources are spent on a daily basis in search of new technologies and new fuels that meet the requirements of reducing pollutant emissions, emission of carbon dioxide and a sustainable development policy. Among the solutions found, the use of biomass as energy sources and improved technologies for combustion, such as the Dual-Fuel technique, are options that promote decarbonization and a reduction in polluting gas emissions in general. In this context, the present work aimed at the experimental study of HVO as a renewable fuel to be applied in a single-cylinder internal combustion engine, neat or in Dual-Fuel combustion with hydrated ethanol, in a dynamometric bench, where performance parameters and emission of polluting gases were evaluated. With the experimental data added to inventory data collected from the literature on the production cycle of HVO from palm oil and soybean oil, a Life Cycle Assessment of the biofuel was carried out. The adopted methodology consisted of developing the test bench with all instrumentation, data analysis methods and calculation of measurement uncertainties, test planning aimed at the application of motor generators, and analysis of the parameters of interest. Tests were carried out using neat HVO compared to neat conventional diesel and tests using dual combustion of Diesel-Ethanol and HVO. For Life Cycle Assessment, the SimaPro 9 software and the ReCiPe 2016 Midpoint (E) calculation method were used. The results obtained with pure HVO showed reductions in specific levels of emissions of NOx, HC, CO and particulate matter (PM) of 30%, 75%, 81% and 55.3%, respectively. The reduction is mainly due to the physicochemical properties of the biofuel. The Dual-Fuel application provides a significant reduction in CO2, NOX and MP emissions. The life cycle analysis showed that the HVO produced from palm oil has an environmental performance superior to that of soy, with a reduction in the Global Warming Potential of up to 75% and impact categories such as Terrestrial Acidification, Ozone Formation and Consumption of Non-Resources renewables present lower levels when compared to diesel. The environmental impact of the 'Dual-Fuel' operation shows a decrease in the levels of Global Warming Potential, Depletion of Fossil Resources and Ozone Formation.

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  • Alexandre Ribeiro Souza Carvalho
  • Metodologia inversa quase-tridimensional para o projeto de máquinas de fluxo hidráulicas

  • Orientador : NELSON MANZANARES FILHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANDRE LUIZ AMARANTE MESQUITA
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • Data: 03/03/2022

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  • Metodologias inversas continuam sendo importantes ferramentas computacionais para o projeto de máquinas de fluxo, mesmo perante os sofisticados métodos disponíveis atualmente para análises de escoamentos tridimensionais viscosos. É descrita neste trabalho uma metodologia Quase-Tridimensional baseada na solução interdependente de dois problemas inversos: o problema meridional e o pá-a-pá. Os desenvolvimentos dão continuidade às pesquisas de Santos et al. (2012) e Barbosa (2018). A solução do problema meridional – referente ao trabalho de Santos et al. (2012) - fornece o formato da superfície média do escoamento e os resultados das linhas de corrente, para atender a uma determinada distribuição de momento hidráulico. Já o problema pá-a-pá inverso – referente aos desenvolvimentos de Barbosa (2018) – fornece a geometria das pás, dado um número finito de pás, nas superfícies de revolução cujas geratrizes são as linhas de corrente resultantes do problema meridional. Até então, os efeitos de espessura e bloqueio eram desconsiderados. Neste trabalho, uma metodologia para inclusão de distribuições de espessuras ao longo das pás é descrita. O efeito da espessura é analisado através da solução direta do problema pá-a-pá (agora considerando perfis) por meio do método de painéis baseado em distribuições lineares de vórtices. Os fatores de bloqueio correspondentes são calculados, e os resultados alimentam a entrada de uma nova solução do problema meridional. Assim, o problema meridional e pá-a-pá passam a ser acoplados. A geometria é calculada novamente, agora considerando o efeito da espessura e do bloqueio. Além disso, são analisados os efeitos de a) distribuição do momento hidráulico; b) número finito de pás; c) espessura; d) bloqueio; e) combinação de b), c) e d); e f) linha de empilhamento dos perfis sobre a geometria das pás e seus carregamentos hidrodinâmicos.


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  • Inverse methodologies continue to be important computational tools for the design of flow machines, despite the sophisticated methods currently available for the analysis of viscous three-dimensional flows. A Quasi-Three-Dimensional methodology based on the interdependent solution of two inverse problems is described in this work: the through-flow problem and the blade-to-blade problem. The developments continue the research by Santos et al. (2012) and Barbosa (2018). The solution to the through-flow problem – referring to the work of Santos et al. (2012) - provides the shape of the mean flow surface and the results of the streamlines, to meet a given hydraulic momentum distribution. The inverse blade-to-blade problem – referring to the developments of Barbosa (2018) – provides the geometry of the blades, given a finite number of blades, on surfaces of revolution whose generatrices are the streamlines resulting from the through-flow problem. Until then, the effects of thickness and blocking were disregarded. In this work, a methodology for including thickness distributions along the blades is described. The thickness effect is analyzed through the direct solution of the blade-to-blade problem (now considering profiles) using the panel method based on linear vortex distributions. The corresponding blocking factors are calculated, and the results feed the input of a new solution of the through-flow problem. Thus, the through-flow problem and blade-to-blade become coupled. The geometry is recalculated, now considering the effect of thickness and blocking. Furthermore, the effects of a) hydraulic momentum distribution; b) finite number of blades; c) thickness; d) blocking; e) combination of b), c) and d); and f) profile stacking line on the geometry of the blades and their hydrodynamic loads are analyzed.

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  • GUILHERME AUGUSTO VILAS BOAS VASCONCELOS
  • Otimização robusta do fresamento de topo do aço inoxidável duplex UNS S32205

  • Orientador : JOAO ROBERTO FERREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MANOEL CLEBER DE SAMPAIO ALVES
  • JOAO ROBERTO FERREIRA
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • Data: 03/08/2022

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  • O estudo sobre o fresamento de topo do aço inoxidável duplex vem ganhando destaque, devido aos desafios encontrados em sua baixa usinabilidade. Isso ocorre, pois, esses materiais apresentam baixa condutividade térmica, alta tenacidade e alta taxa de encruamento. Entretanto, para garantir qualidade final em produtos manufaturados, é importante que o processo de fresamento seja bem planejado, visando menores desgastes nas fresas durante o processo e ao mesmo tempo apresentando bons indicadores de produtividade. Assim, este trabalho tem como objetivo realizar uma otimização robusta multiobjetivo no processo de fresamento de topo do aço inoxidável duplex UNS S32205. Foram realizados experimentos seguindo um planejamento composto central combinando as variáveis de controle: velocidade de corte, avanço por dente, profundidade de corte e largura fresada e as variáveis de ruído: desgaste de flanco (vb), vazão de fluido (Q) e o balanço da ferramenta (lt0). As variáveis de respostas avaliadas foram a rugosidade da peça usinada e a taxa de remoção de material. Foram aplicadas as metodologias de superfície de resposta, de projeto de parâmetro robusto, do erro quadrático médio e da interseção normal à fronteira. Em seguida, foram analisados e discutidos os efeitos das variáveis de controle e de ruído, bem como as interações destas sobre as características de interesse. O desgaste da ferramenta foi a variável que mais influenciou a rugosidade Ra. A taxa de remoção de material foi influenciada por todas as variáveis controláveis do processo. Os valores obtidos para a rugosidade Ra variaram entre 0,24 a 1,10 µm e a taxa de remoção de material variou entre 40,39 a 187,52 mm³/s. A otimização da média e da variância de cada característica de interesse foi realizada, bem como a otimização do erro quadrático médio. Assim, 21 soluções Pareto-ótimas foram obtidas, contribuindo para a melhoria da qualidade superficial e da produtividade no processo de fresamento. Nos ensaios de confirmação empregou-se um arranjo ortogonal de Taguchi (L9) onde obteve-se os setups ótimos capazes de mitigar a influência das variáveis de ruído, o que corroborou a boa adequação da metodologia proposta.


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  • O estudo sobre o fresamento de topo do aço inoxidável duplex vem ganhando destaque, devido aos desafios encontrados em sua baixa usinabilidade. Isso ocorre, pois, esses materiais apresentam baixa condutividade térmica, alta tenacidade e alta taxa de encruamento. Entretanto, para garantir qualidade final em produtos manufaturados, é importante que o processo de fresamento seja bem planejado, visando menores desgastes nas fresas durante o processo e ao mesmo tempo apresentando bons indicadores de produtividade. Assim, este trabalho tem como objetivo realizar uma otimização robusta multiobjetivo no processo de fresamento de topo do aço inoxidável duplex UNS S32205. Foram realizados experimentos seguindo um planejamento composto central combinando as variáveis de controle: velocidade de corte, avanço por dente, profundidade de corte e largura fresada e as variáveis de ruído: desgaste de flanco (vb), vazão de fluido (Q) e o balanço da ferramenta (lt0). As variáveis de respostas avaliadas foram a rugosidade da peça usinada e a taxa de remoção de material. Foram aplicadas as metodologias de superfície de resposta, de projeto de parâmetro robusto, do erro quadrático médio e da interseção normal à fronteira. Em seguida, foram analisados e discutidos os efeitos das variáveis de controle e de ruído, bem como as interações destas sobre as características de interesse. O desgaste da ferramenta foi a variável que mais influenciou a rugosidade Ra. A taxa de remoção de material foi influenciada por todas as variáveis controláveis do processo. Os valores obtidos para a rugosidade Ra variaram entre 0,24 a 1,10 µm e a taxa de remoção de material variou entre 40,39 a 187,52 mm³/s. A otimização da média e da variância de cada característica de interesse foi realizada, bem como a otimização do erro quadrático médio. Assim, 21 soluções Pareto-ótimas foram obtidas, contribuindo para a melhoria da qualidade superficial e da produtividade no processo de fresamento. Nos ensaios de confirmação empregou-se um arranjo ortogonal de Taguchi (L9) onde obteve-se os setups ótimos capazes de mitigar a influência das variáveis de ruído, o que corroborou a boa adequação da metodologia proposta.

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  • LUCAS ROGÉRIO EMILIANO
  • Otimização da retificação das pontas dos anéis de pistão de aço inoxidável martensítico com cobertura de nitreto de cromo

  • Orientador : JOAO ROBERTO FERREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOAO ROBERTO FERREIRA
  • MARCOS VALERIO RIBEIRO
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 26/10/2022

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  • No âmbito da indústria automobilística, os processos de usinagem são amplamente aplicados. Dentre estes, o processo de retificação é muito utilizado para acabamento em peças que necessitam de baixa rugosidade e tolerância dimensional, tendo como premissa atender as características de produto e reduzir ao máximo as perdas, ou seja, garantir a qualidade e reduzir custos de fabricação. Neste contexto, este trabalho apresenta uma abordagem estratégica para reduzir a variabilidade no processo de retificação das pontas dos anéis de pistão de aço inoxidável martensítico nitretado (MS066-N1), com revestimento de nitreto de cromo (CrN), aplicado pelo processo de deposição física de vapor (PVD). Neste trabalho, criou-se um planejamento experimental (DOE), na configuração da metodologia de Superfície de Resposta com 3 níveis e 3 fatores. As variáveis de entrada foram os tamanhos dos grãos abrasivos do rebolo de CBN (Cubic boron nitride), a rotação (RPM) e o avanço de usinagem (GPM – golpes por minuto). A metodologia aplicada no planejamento experimental, auxilia na definição da parametrização ótima de usinagem, visando diminuir a variabilidade do processo e atingir a estabilidade dimensional na média da especificação da característica folga entre pontas de anéis de pistão. Os parâmetros de otimização mais próximos e disponíveis na máquina foram com rebolo de CBN de tamanho de grão B46, rotação de 5200 RPM e avanço de usinagem 9,0 GPM. Para validar os parâmetros de otimização realizou-se uma análise de capacidade através dos índices de Cp, Cpk e Pp e Ppk, em que o processo atingiu a estabilidade esperada com redução do percentual de peças fora de especificação de 5,79% para 0,00%.


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  • In the scope within in the automotive industry the machining processes are widely applied. Among them, the grinding process is widely used for finishing parts that require low roughness and dimensional tolerance, with the premise of achieve product features and reducing losses as much as possible that is, assurance the product quality and reduce manufacturing costs. In this context, this work presents a strategical approach to reduce variability in the grinding process of the tips of nitrided martensitic stainless steel (MS066-N1) piston rings, with chromium nitride (CrN) coated applied by the physical vapor deposition process (PVD). In this work, an experimental design (DOE) was created, in the Response Surface methodology configuration with 3 levels and 3 factors. The input variables were the abrasive grain size of CBN grinding wheel, the grinding wheel rotation parameter (RPM) and the feed parameter (GPM). The methodology applied was experimental planning, which support in defining the optimal machine parameterization, aiming to reduce the process variability and reach dimensional features stability in the specification average of the characteristic gap between piston rings tips. The closest optimization parameters and available on the machine was with abrasive grain size of CBN grinding wheel (B46), the grinding wheel rotation speed parameter (5200 RPM) and the feed parameter (9,0 GPM). To validate the optimization parameters, a study of capability analysis was created which demonstrated through the levels of Cp, Cpk and Pp, Ppk, that the process reached the expected stability, where the percentage of parts outside the specified or defective was reduced from 5,79% to 0,00%.

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  • GUSTAVO VIEIRA FREZ
  • Simulação fluidodinâmica em ANSYS – CFD da combustão dual-fuel em motores de ignição por compressão utilizando diesel renovável (HVO) com biogás

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANDRÉS ARMANDO MENDIBURU ZEVALLOS
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • FAGNER LUIS GOULART DIAS
  • JUAN JOSE GARCIA PABON
  • Data: 28/11/2022

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  • O crescimento populacional e urbano no Brasil nas últimas décadas resultou no aumento da frota veicular nacional que, em geral, utiliza combustíveis fósseis cuja queima resulta em emissões de poluentes. Aliando-se a fatores econômicos, há uma urgente preocupação para substituição desses combustíveis por àqueles provenientes de fontes renováveis. Grande parte de pesquisas nessa área utilizam técnicas experimentais, que nem sempre são viáveis. Assim, aliar análises computacionais à essas técnicas são de grande relevância. Nesse contexto, esse trabalho apresenta análises computacionais do ciclo de combustão de um motor Diesel operando com diesel fóssil, HVO e HVO com biogás. Para tal, modelou-se a geometria 3D da sua câmara de combustão e empregou-se o software ANSYS/Forte nas simulações CFD. Na etapa de modelagem considerou-se um modelo cinético com 35 espécies e 74 reações químicas, o modelo RANS RNG 𝑘-𝜀, o modelo KH-RT, um perfil de injeção uniforme e valores experimentais para pressão e temperatura inicias. Além disso, realizou-se uma análise 0-D no software ANSYS/Chemkim-Pro a fim de estimar alguns parâmetros não mensurados experimentalmente e, também para seobter dois modelos cinéticos adaptados para a combustão do HVO puro e da mistura HVO-Biogás, o que foi feito juntamente com um processo de otimização mono-objetiva
    pelo algoritmo de Lichtenberg. Ambas as abordagens, 0-D e 3D, foram validadas com dados experimentais. Foram obtidas curvas para: pressão no cilindro e sua taxa de aumento; taxa de liberação de calor e seu acúmulo; características de turbulência e emissões em função do ângulo do virabrequim. Campos 3D de velocidade, de temperatura, do spray do diesel e das frações molares de CO, CO2, NO e NO2 também foram obtidos. Os resultados para a pressão no cilindro obtidos computacionalmente apresentaram boa concordância com os experimentais, que foram obtidos durante o projeto P&D ROTA 2030 realizado pelo GETEC-UNIFEI em 2021 e 2022, porém com maior atraso de ignição. Observou-se que a pressão no cilindro possui forte dependência com a duração da injeção. Verificou-se também que as regiões próximas ao PMS são as que mais causam variações nos parâmetros analisados e onde a maioria das curvas apresentam seus valores máximos. Além disso, a combustão do HVO e do HVO com biogás reduziu os picos de pressão e de liberação de calor, bem como as emissões de NOx e fuligem, apresentando maior homogeneidade nos campos de velocidade e temperatura.


  • Mostrar Abstract
  • Population and urban growth in Brazil in recent decades have increased the national vehicular fleet, which, in general, uses fossil fuels whose burning results in pollutant emissions. Allied with economic factors, there is an urgent concern to replace these fuels with those from renewable sources. Much of the research in this area uses
    experimental techniques, which are not always feasible. Thus, combining computational analysis with these techniques is of great relevance. In this context, this work analyzed computationally the combustion cycle of a Diesel engine operating with fossil diesel, HVO and HVO with biogas. For this purpose, its 3D combustion chamber geometry was modeled in a CAD software and the CFD simulations were carried on ANSYS/Forte software. A kinetic model with 35 species and 74 chemical reactions, together with the RANS RNG k-ε model, the KH-RT model, a uniform injection profile and experimental values for initial pressure and temperature were considered in the modeling step. In addition, a 0-D analysis in ANSYS/Chemkim-Pro software was
    performed to estimate some parameters not measured experimentally, and also to obtain two adapted kinetics models to describe the of pure HVO and HVO-biogas blend, which was done together with a mono-objective optimization process by the Lichtenberg algorithm. Both 0-D and 3D approaches were validated with experimental data. From the simulations, in-cylinder pressure and its rise rate, rate of heat release,
    and its accumulation, turbulence, and emissions characteristics were obtained as a function of crank angle. 3D fields of velocity, temperature, the spray of diesel, and molar fractions of CO, CO2, NO, and NO2 were also obtained. The in-cylinder pressure obtained computationally showed a good agreement with the experimental ones (which were obtained from the R&D project ROTA 2030 by GETEC-UNIFEI at 2021 and 2022), but with a longer ignition delay. It was observed that the in-cylinder pressure is strongly dependent on the duration of injection. It was also verified that the regions closer to the TDC presented the most variations in the analyzed parameters and with the maximum values. Besides, the combustion of HVO and HVO with Biogas reduced
    the peaks of pressure and heat release, as well as NOx and soot emissions and also presented more significant homogeneity in the velocity and temperature fields.

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  • PÂMELA BADESSA MAIA
  • Otimização Geométrica do Rotor Wells Aplicado em Usinas de Coluna de Água Oscilante

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • WALDIR DE OLIVEIRA
  • Data: 02/12/2022

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  • Em uma primeira abordagem, é realizada a validação da simulação numérica (DFC) deum rotor de turbina Wellsde8 pás formadas, por perfis aerodinâmicos NACA 0015 de comprimento da corda constante. Os resultados obtidos para as características de desempenho da turbina (coeficiente de torque, coeficiente de queda de pressão total e eficiência) são comparados aos valores experimentais e numéricos disponíveis na literatura.
    Para a realização das simulações numéricas do escoamento em regime permanente no rotor da turbina Wells, foi utilizado um canal hidráulico periódico e um único domínio computacional. Malha não estruturada foi empregada, com camadas prismáticas nas proximidades da superfície pá do rotor. O modelo de turbulência k-εRealizable foi utilizado com tratamento de parede aprimorado. Para o acoplamento pressão-velocidade foi utilizado o método SIMPLEC e esquemas de discretização e interpolação de segunda ordem.
    Em uma segunda abordagem, é apresentada uma metodologia de otimização para maximização do coeficiente de torque e da eficiência do rotor da turbina Wells. O processo de otimização consistiu na geração de um plano de experimentos DOE (Design of Experiments), onde foram definidas como variáveis geométricas de projeto o comprimento da corda e a espessura da pá, ambas parametrizadas e referentes à altura média e ao topo da pá. Após a realização das simulações numéricas do escoamento em todos os pontos do DOE, foi aplicada uma análise estatística aos resultados obtidos, verificando-se que a espessura da pá estatisticamente não tem influência significativa sobre o desempenho aerodinâmico do rotor da turbina Wells.
    Os resultados obtidos forneceram duas geometrias ótimas para o rotor da turbina Wells, sendo que a primeira (Otimizado A) apresentou um ganho máximo de31,11% para o coeficiente de torque e de 13,59% para a máxima eficiência. A segunda geometria (Otimizado B) apresentou um ganho de 20,18% para a máxima eficiência e uma redução de 5,44% para o máximo coeficiente de torque.


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  • In a first approach, the validation of the numerical simulation (CFD) of a Wells turbine rotor with 8 blades formed by NACA 0015 airfoil so Constant chord length is carried out. The results obtained for the turbine performance characteristics (torque coefficient, total pressure drop coefficient across the turbine and efficiency) are compared to experimental and nu-merical values available in the literature.
    In order to carry out the numerical simulation so steady state flow in the Wells turbine rotor, a periodic hydraulic channel and a single computational domain were used. Anunstruc-tured mesh was employed, with prismatic layers close to the rotor blade surface. The k-ε Rea-lizable turbulence model was used withim proved wall treatment. For the pressure-velocity coupling, the SIMPLEC method and second-order discretization and interpolation schemes-were used.
    In a second approach, anoptimization methodology for maximizing the torque coeffi-cient and the rotor efficiency of the Wells turbine is presented. The optimization processcon-sisted of generating a DOE (Design of Experiments) experiment plan, wheret he profiles chord length and blade thickness were defined as geometric design variables, both paramete-rized and referring to the average height and tip of the blade.
    After carrying out numerical simulation soft He flow atall points of the DOE, a statistical analysis was applied to the results obtained, verifying that the thickness of the blade does not statistically have a significantin fluence on the aerodynamic performance ofthe Wells turbine rotor.
    The results obtained provided two optimal geometries for the Wells turbine rotor, the-first geometry (Optimized A) presented a maximum gain of 31.11% for the torque coefficient and 13.59% for maximum efficiency. The second geometry (Optimized B) showed a gain of 20.18% for maximum efficiency and a reduction of 5.44% for maximum torque coefficient.

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  • ÁLVARO HENRIQUE CALAZANS GUEDES
  • AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO DESGASTE MICROABRASIVO DOS METAIS DUROS WC-Ni-Mo2C, WC-Ni-Al e WC-Ni-Cr3C2

  • Orientador : EDMILSON OTONI CORREA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDMILSON OTONI CORREA
  • GILBERT SILVA
  • NEIDE APARECIDA MARIANO
  • Data: 12/12/2022

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  • O setor industrial brasileiro tem sofrido grandes prejuízos devido ao desgaste abrasivo, uma vez que este tipo de desgaste é um dos principais fatores de parada de maquinas e equipamentos. A fim de mitigar este problema, os metais duros tem sido cada vez mais utilizados em aplicações que envolvem desgaste abrasivo.
    Metal duro convencional é um material de cobalto e WC, este, apresenta certas desvantagens, sendo uma das principais, a baixa resistência à corrosão devido o ligante cobalto. Assim pesquisas realizadas por Penrice (1987), Almond e Roebuck (1988), Tracey (1992), apontam o níquel como mais promissor e de menor custo.
    O ligante níquel é um material menos oneroso, tem desempenho superior quanto a oxidação e corrosão em ambientes ácidos e meio aquoso comparados ao cobalto, porém perde em resistência ao desgaste por apresentar dureza inferior. Assim surge a combinação com carbonetos auxiliares para elevar a dureza do compósito.
    Um fator importante com relação a fabricação do metal duro, que é pela metalurgia do pó, é o fato, de que o compósito produzido apresenta um certo nível de porosidade. Essa porosidade é responsável por perdas de desempenho ao desgaste abrasivo. Sendo assim um bom produto final deve ter baixo nível de porosidade.
    A avaliação do desgaste abrasivo consistiu em submeter três corpos de prova com ligante níquel e carbonetos auxiliares distintos e um com ligante cobalto a um ensaio microabrasivo, monitorando a evolução do desgaste, os micromecanismos atuantes e posteriormente comparar os resultados entre ambos os corpos de prova.
    A microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para avaliar a superfície desgastada e estudar os mecanismos de desgaste atuantes, onde foi possível observar a ação dos mecanismos de dois corpos e três corpos.
    No teste de desgaste, comparado as amostras com o metal duro convencional 90WC-10Co, a amostra 90WC-9,5Ni-0,5Al teve desempenho superior, a amostra 90WC-8Ni-2Mo2C desempenhou comportamento de desgaste similar e por fim a amostra 90WC-8Ni-2Cr3C2 que apresentou o menor desempenho.
    Diante dos resultados é possível dizer que metais duros produzidos com níquel e acrescidos de carbonetos para melhorar desempenho são eficientes desde que mantenham qualidade na fabricação em relação a porosidade e assim podem ser uma excelente opção a substituir o metal duro convencional.


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  • The Brazilian industrial sector has suffered great losses due to abrasive wear, since this type of wear is one of the main factors for machinery and equipment breakdown. In order to mitigate this problem, cemented carbides have been increasingly used in applications involving abrasive wear.
    Conventional carbide is a cobalt and WC material, which has certain disadvantages, one of the main ones being the low corrosion resistance due to the cobalt binder. Thus, research conducted by Penrice (1987), Almond and Roebuck (1988), Tracey (1992), point to nickel as more promising and lower cost.
    The nickel binder is a less expensive material, has superior performance regarding oxidation and corrosion in acidic and aqueous environments compared to cobalt, but loses in wear resistance by presenting lower hardness. Thus, the combination with auxiliary carbides arises to increase the hardness of the composite.
    An important factor regarding the manufacture of carbide, which is by powder metallurgy, is the fact, that the composite produced presents a certain level of porosity. This porosity is responsible for performance losses to abrasive wear. Thus a good final product should have a low level of porosity.
    The evaluation of abrasive wear consisteddistância in subjecting three specimens with distinct nickel binder and auxiliary carbides and one with cobalt binder to a microabrasive test, monitoring the wear evolution, the acting micromechanisms, and later comparing the results between both specimens.
    Scanning electron microscopy was used to evaluate the worn surface and study the actuating wear mechanisms, where it was possible to observe the action of the two-body and three-body mechanisms.
    In the wear test, compared to the samples with the conventional carbide 90WC-10Co, sample 90WC-9.5Ni-0.5Al performed better, sample 90WC-8Ni-2Mo2C performed similar wear behavior, and finally sample 90WC-8Ni-2Cr3C2 showed the lowest performance.
    Given the results it is possible to say that cemented carbides produced with nickel and added carbides to improve performance are efficient since they maintain quality in manufacturing in relation to porosity and thus can be an excellent option to replace conventional cemented carbide.

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  • MÁRCIO VITAL DE ARRUDA
  • Estudo comparativo de resultados de tensão residual e da variação das respostas dinâmicas de chapas soldadas por método de elementos finitos

  • Orientador : EDMILSON OTONI CORREA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDMILSON OTONI CORREA
  • ELISAN DOS SANTOS MAGALHÃES
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 12/12/2022

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  • Processos de soldagem geram tensões residuais muitas vezes indesejadas. A detecção de tais tensões pode ser realizada por diferentes métodos. Alguns destes métodos são destrutivos ou semi-destrutivos e, portanto, nem sempre viáveis. Já os métodos não destrutivos, como detecção por raios-X, difração de nêutrons e ultrassom, são complexos e de alto custo. Uma técnica para se detectar tensões residuais de soldagem de forma não destrutiva e a menor custo que as existentes vem sendo estudada por alguns autores e é baseada no fenômeno o qual as frequências naturais de uma estrutura são alteradas pelas tensões residuais de soldagem. A detecção das tensões residuais indesejadas consistiria basicamente em se medir as frequências naturais da estrutura após a soldagem e compará-las com valores de frequências considerados ideais. Tais valores considerados ideais são obtidos através de simulação pelo método dos elementos finitos. Esta simulação não é trivial; envolve pelo menos quatro análises que podem ser executadas de algumas diferentes formas. Diferentes autores vêm publicando diferentes trabalhos com tipos de estruturas, materiais e resultados bastante variados. Neste trabalho, foram desenvolvidos cinco modelos, validados por dados experimentais obtidos na literatura, e executadas diversas simulações com o objetivo de se analisar quais parâmetros tornam o modelo por Método de Elementos Finitos - MEF mais eficaz na obtenção de dados mais próximos aos experimentais. Foi detectado que modelos utilizando elementos 2D, tipo casca, resultam em melhores resultados que elementos 3D, tipo sólido. Também foi observado que a técnica de simetria para simulação de placas leva a tempos de processamento significativamente menores, mas o uso dessa técnica altera os resultados modais e, ainda, não fornece os resultados de frequência natural para todos os modos de vibração e, portanto, esta técnica deve ser evitada. Também foi observado que o uso da técnica Birth and Death, que simula a
    inserção de metal de adição, pouco alterou os resultados obtidos neste trabalho.
    Finalmente, foi proposta a técnica de interpolação dos valores das frequências naturais
    para se avaliar as variações dos parâmetros modais pelas tensões residuais.


  • Mostrar Abstract
  • Welding processes may cause undesirable residual stresses and their detection is possible using different methods. Some residual stress detection methods or techniques are destructive or semi-destructive, therefore not always applicable. Some methods are non-destructive, such as X-ray diffraction, neutron diffraction, and ultrasound. However, they are complex and high cost. One possible non-destructive method to detect welding residual stresses, lower cost than the current techniques, is being studied by some researchers. This method is based in the phenomenon which a structure natural frequencies vary when welding residual stress is applied. It consists in measuring the structure natural frequencies after welding, and comparing them to natural frequency values considered ideal values. These ideal values are obtained from finite element method simulation. However, the welding process simulation is not trivial; it implies at least four finite element analysis which can be executed in different manners. Different researchers have been developing studies with different types of structures, materials and results. The aim of this study is to analyze which parameters can improve Finite Element Method (FEM) model performance for obtaining simulation results closer to experiments. In this study, five models were developed and validated with experimental studies. It was observed that models using 2D shell elements generate better results than odels using 3D solid elements. In addition, it was observed that the symmetry technique which can be used in plate simulations leads to significant lower computational times, but affect modal results and, in addition, do not generate natural frequency values for all vibrational modes; therefore, the symmetry technique should be avoided in this type of analysis. The birth and death technique, which simulates filler metal deposition, was also analyzed and it was concluded that this technique has small effect in the results. Finally, this work proposes an interpolation technique for the natural frequency values to evaluate the modal results variation due to welding residual stresses.

Teses
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  • MARCELO LUÍS SIQUEIRA
  • Efeito da Composição Química no Desenvolvimento da Estrutura Martensítica no Ferro Fundido Nodular No Estado Bruto de Fundição

  • Orientador : MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • JOAO ROBERTO MORO
  • JOSE CARLOS DE LACERDA
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • NEIDE APARECIDA MARIANO
  • PAULO JUNHO DE OLIVEIRA
  • Data: 23/02/2022

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  • O ferro fundido nodular é um dos materiais ferrosos mais utilizados pela engenharia atualmente, seja como componentes para a indústria automotiva, para indústria de saneamento básico ou para as indústrias de componentes em geral. Uma das principais matérias-primas para a produção do ferro fundido é a sucata de aço. Atualmente, essa matéria-prima é coletada de diferentes fontes geradoras e é composta por diversos tipos de aços com composições químicas diferentes. Muitos elementos químicos presentes na sucata de aço, mesmo em pequenas concentrações percentuais, são indesejáveis na produção do ferro fundido, visto que alguns deles têm o efeito de provocar alterações significativas da microestrutura dos mesmos. A contribuição desse estudo é investigar o efeito dos elementos cobre, níquel, molibdênio e cromo, comumente presentes na sucata de aço, como promovedor da matriz martensítica em um ferro fundido nodular no estado bruto de fundição. Foram utilizados teores inferiores à 1% para cada elemento investigado e as peças foram produzidas utilizando-se a fundição por centrifugação horizontal. Pela análise das imagens de microscopia eletrônica de varredura e análise semiquantitativa via Energy Dispersive Spectroscopy observou-se que o níquel e o cobre ficaram distribuídos uniformemente na matriz, enquanto o cromo e o molibdênio formaram carbonetos nos contornos intercelulares. Dentre os quatro elementos investigados, o molibdênio revelou-se como forte promovedor da formação da martensita e as frações dessa fase aumentaram com o aumento da quantidade adicionada desse elemento (35%, 40% e 50%). Os resultados obtidos indicam o caminho provável para a obtenção da matriz totalmente martensítica no estado bruto de fundição e a possibilidade de eliminação de custos relacionados à produção em escala industrial, como o tratamento térmico de austenitização seguido de têmpera que tem um custo operacional estimado em 26173.35 USD ao mês. Ressalta-se que a análise da viabilidade da eliminação do tratamento térmico deve considerar o custo com o consumo da liga ferro-molibdênio e as particularidades de processo de cada fundição.


  • Mostrar Abstract
  • Nodular cast iron is one of the most used ferrous materials by engineering currently, whether
    as components for the automotive industry, for the basic sanitation industry or for the
    component industries in general. One of the main raw materials for the production of cast iron
    is steel scrap. Currently, this raw material is collected from different generating sources and is
    composed of different types of steel with different chemical compositions. Many chemical
    elements present in steel scrap, even in small percentage concentrations, are undesirable in the
    production of cast iron, since some of them have the effect of causing significant changes in
    their microstructure. The contribution of this study is to investigate the effect of the elements
    copper, nickel, molybdenum and chromium, commonly present in steel scrap, as a promoter of
    the martensitic matrix in a nodular cast iron in the as casted state. Contents lower than 1%w
    were used for each element investigated and the pieces were produced by centrifugation casting
    process. By analyzing the scanning electron microscopy images and semiquantitative analysis
    via Energy Dispersive Spectroscopy, it was observed that nickel and copper were uniformly
    distributed in the matrix, while chromium and molybdenum formed carbides in the intercellular
    contours. Among the four elements investigated, molybdenum proved to be a strong promoter
    of martensite formation and the fractions of this phase increased with the increase in the amount
    added of this element (35%, 40% and 50%). The results obtained indicate the probable path to
    obtain the totally martensitic matrix in as casted state and the possibility of eliminating costs
    related to production on an industrial scale, such as the austenitization heat treatment followed
    by quenching, which has an estimated operating cost of 26173.35 USD per month. It is
    noteworthy that the analysis of the feasibility of eliminating the heat treatment should consider
    the cost with the consumption of the ferro-molybdenum alloy and the particularities of the
    process of each foundry.

2
  • RODRIGO GUSTAVO DOURADO DA SILVA
  • Estimação da eficiência térmica dos processos de soldagem TIG e laser utilizando o Método da Função Especificada modificado com sensor móvel de temperaturas

  • Orientador : SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • FRANCIS HENRIQUE RAMOS FRANÇA
  • GUILHERME BORGES RIBEIRO
  • ELISAN DOS SANTOS MAGALHÃES
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • ROGERIO FERNANDES BRITO
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • Data: 15/03/2022

  • Mostrar Resumo
  • A determinação da taxa de calor transferida para o material em processos de soldagem sempre foi um obstáculo para a modelagem desse fenômeno físico. A fim de diminuir essas dificuldades, o uso de técnicas de problemas inversos é uma alternativa para estimar a taxa de calor desconhecida. Neste trabalho apresenta-se uma metodologia numérico-experimental para estimar o aporte térmico em processos de soldagem. Uma modificação do Método da Função Especificada iterativa é utilizada para levar em consideração a sensibilidade térmica do sensor móvel de temperaturas em função do tempo e do posicionamento em relação ao cordão de solda. Dessa maneira é possível solucionar problemas altamente não-lineares e com grande gradiente de temperatura próximos dos sensores de medição. A partir da taxa de calor estimada determinou-se a eficiência térmica do processo como função da potência de soldagem. Neste trabalho foram determinadas as eficiências térmicas para experimentos de soldagem TIG no aço AISI 304 e soldagem a laser no aço AISI 1020. Também foi feito uma análise detalhada da eficiência térmica em função dos parâmetros de soldagem utilizando o método de Taguchi para o caso de soldagem TIG. No estudo de soldagem a laser foi proposto um modelo multifísico para a estimação da eficiência térmica no qual é considerado o movimento do metal líquido na poça de fusão. Um programa computacional utilizando o recurso Livelink for Matlab foi desenvolvido para solucionar o problema inverso proposto e está detalhado nesse trabalho.


  • Mostrar Abstract
  • The determination of the imposed heat rate in welding processes has always been an obstacle to the modeling of this problem. Thus, the use of inverse problem techniques is an alternative to estimate the unknown heat rate. This work presents a numerical-experimental methodology for estimating the thermal input in welding processes. A modification of the iterative Function Specification Method is used to consider the thermal sensitivity of the temperature moving sensor as a function of time and the position in relation to the weld bead. In this way, it is possible to solve highly nonlinear problems with a large gradient of temperature near the measurement sensors. Once the heat rate was estimated, the thermal efficiency of the process as a function of the welding power was determined. In this work, thermal efficiencies for TIG welding experiments on AISI 304 steel and laser welding on AISI 1020 steel were estimated. A detailed analysis of thermal efficiency as a function of welding parameters was also carried out using the Taguchi method for the TIG welding case. In the case of laser welding, a multiphysical model to estimate thermal efficiency was proposed, in which the movement of the molten metal in the weld pool is considered. A computer program using the feature Livelink for Matlab was developed to solve the proposed inverse problem and it is explained in this work.

3
  • MAICON QUEIROZ HILÁRIO
  • Avaliação Comparativa de Sistemas Térmicos de Potência no Contexto da Transição Energética

  • Orientador : ROGERIO JOSE DA SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLOS BARREIRA MARTINEZ
  • EDUARDO JOSÉ CIDADE CAVALCANTI
  • GENESIO JOSE MENON
  • JOSE ANTONIO PERRELLA BALESTIERI
  • ROGERIO JOSE DA SILVA
  • Data: 19/04/2022

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  • Em várias regiões do mundo e diferentes países existe uma transição da matriz elétrica em andamento, movida principalmente pelas questões ambientais. Entretanto, há aspectos geopolíticos envolvidos, como os interesses dos países com forte presença do carvão em sua matriz energética. Nesse contexto, o gás natural surge como um combustível para essa transição energética. Essa perspectiva está alinhada com o aumento de investimentos em infraestrutura do mercado de gás natural e o fato de, entre os combustíveis fósseis, o gás natural ser o combustível com menores emissões de gases de efeito estufa. Além disso, centrais térmicas a gás natural são interessantes para a complementariedade e confiabilidade do sistema e segurança energética. Diante disso o presente trabalho teve como objetivo realizar uma análise comparativa de quatro sistemas térmicos de geração de potência, sendo três centrais a carvão (subcrítica, supercrítica e ultrassupercrítica) e uma central de ciclo combinado a gás natural, do ponto de vista exergético, emissões de CO2 e custo de eletricidade anualizado. A partir dessa comparação realizou-se uma discussão a respeito de que em quais condições o uso do gás natural pode ter o seu uso ampliado no contexto da transição energética. Demonstrou-se que uma central termoelétrica de ciclo combinado movida a gás natural com 57,95 % de eficiência exergética chega a ter um fator de emissão 60 % menor que de uma central a carvão subcrítica, e evita cerca de 3,5 Mt de emissões de CO2 anuais. Uma análise econômica também foi realizada e determinou-se que a volatilidade dos preços dos combustíveis tem forte influência no custo da eletricidade. De acordo com as condições do mercado, oferta e demanda, as centrais de ciclo combinado apresentaram custos competitivos.


  • Mostrar Abstract
  • In several regions of the world and diferente countries there is a transition of the electricity matrix in progress, driven mainly by environmental issues. However, there are geopolitical aspects involved, suah as the interests of countries with a strong presence of coal in their energy matrix. In this context, natural gas appears as a fuel for this energy transition. This perspective follows the increase in investments in infrastructure of the natural gas market and the fact that, among fossil fuels, natural gas is the fuel with the lowest greenhouse gas emissions. In addition, natural gas thermal power plants are interesting for the complementarity and reliability of the system and energy security. In addition, natural gas power plants are interestinh fot the complementarity and reliability of the system and energy security. Therefore, the presente work aimed to carry out a comparative analysis of four termal power Generation systems, being three coal-fired power plants (subcritical, supercritical and ultrasupercritical) and a combined cycle plant with natural gas, from the exergetic point of view, emissions of CO2 and annualized eletricity cost. Based on this comparison, a discussion was held about under what conditions the use of natural gas can have its use expanded in the contexto of the energy transition. It has been demonstrated that a combined cycle plant powered by natural gas with 57.95 % exergetic efficiency has an emission factor 60 % lower than that of a subcritical coal plant and avoids about 3.5 Mt of annual CO2 emissions. An economic analysis was also carried out and it was determined that the volatility of fuel prices has a strong influence on the cost of electricity. According to market conditions, supply and demand, the combined cycle plants presented competitive costs.

4
  • DIEGO CORRÊA FERREIRA
  • Análise de Problema Inverso não Linear em Transferência de Calor para o Estudo da Ferramenta de Metal Duro Revestida e não Revestida

  • Orientador : SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • JOAO ROBERTO FERREIRA
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • RUBENILDO VIEIRA ANDRADE
  • ALISSON FLÁVIO BARBIERI
  • LEANDRO ALCOFORADO SPHAIER
  • Data: 19/04/2022

  • Mostrar Resumo
  • Neste trabalho tem-se o objetivo de analisar a influência térmica do revestimento numa ferramenta de corte de metal duro juntamente com a influência da convecção. O modelo térmico consiste numa ferramenta de metal duro, um calço e um porta-ferramentas. Este modelo, é representado pela equação de difusão de calor tridimensional transiente que é resolvida pelo MEF (Método dos Elementos Finitos) por meio do uso do ( software) COMSOL Multiphysics® 5.6. Destaca-se aqui a grande vantagem na utilização deste software que é a facilidade de se modelar o revestimento térmico, que tem sua espessura na ordem de micrometro (𝜇m). Para o revestimento térmico, escolheu-se uma ferramenta de corte revestida de Nitreto de Titânio (TiN), o Óxido de Alumínio (Al2O3) e Carbonitreto de Titânio (TiCN). O modelo está sujeito as condições de contorno de convecção e radiação nas regiões expostas ao ambiente. Fluxo de calor prescrito na área de contato entre a ferramenta de corte e a peça. As propriedades térmicas adotadas neste trabalho são dependentes da temperatura. Isto é possível graças à utilização da Técnica da Função Especificada não-linear adotada para a solução do problema inverso. Para a obtenção de dados experimentais foram realizados 13 experimentos de torneamento numa amostra de ferro fundido nodular. Oito experimentos foram realizados para o inserto não revestido sendo 7 experimentos à seco e 1 com resfriamento por ar comprimido. Já para o inserto revestido foram realizados 5 experimentos, sendo 4 experimentos à seco e 1 experimento com resfriamento por ar comprido. Em todos os experimentos foram aquisitados dados de temperatura por termopares, temperatura por câmera térmica e forças de usinagem por dinamômetro. Uma análise exploratória dos dados experimentais foi realizada. O fluxo de calor é estimado através de um código em MATLAB® em conjunto com o software COMSOL®, utilizando a ferramenta MATLAB livelinkTM. Com o fluxo de calor obtido, o  COMSOL® é utilizado novamente para obter o gradiente térmico de temperatura em todo o modelo. Resultados numéricos como: temperaturas máxima na área de contato e campo de temperaturas para a ferramenta de corte revestida e não revestida foram obtidos. Uma comparação entre os resultados numéricos e experimentais para os termopares também é realizada. Os resultados mostraram maior fluxo de calor e temperatura máxima na área de contato para o inserto revestido em comparação ao inserto não revestido.


  • Mostrar Abstract
  • This work presents the thermal influence of the coating in a carbide cutting tool. The influence of the convection is also included in the analysis. The thermal model consist of a carbide cutting tool, a shim and a tool holder. This model is represented by the threedimensional transient thermal diffusion equation which is solved by the FEM (Finite Element Method) through the software COMSOL Multiphysics® 5.6. The most important advantages of using this software is the easy way to model the thermal coating, whose thickness is in the order of (𝜇m). For the coating, a cutting tool coated by Titanium Nitride (TiN), Aluminium Oxide (Al2O3) and Titanium Carbo-Nitride (TiCN) was chosen. This model is subjected to the boundary conditions of convection and radiation in the regions exposed to the environment. Boundary condition of prescribed heat flux in the contact area between the cutting tool and the workpiece. The thermal properties adopted in this work are temperature dependent. This is possible due the non-linear Function Specification technique used to solve the inverse problem. In order to obtain experimental data, 13 turning experiments were performed in nodular cast iron sample. Eight experiments were done for the uncoated tool, 7 dry experiments and 1 with pressure air cooling. For the coated tool, 5 experiments were performed, 4 dry experiments and 1 with pressure air cooling. In all experiments termocouples temperatures, thermal camera temperatures and dynamometer forces data were aquired. An exploratory data analysis of the experimental data was done. The heat flux is estimated through a MATLAB® script together with COMSOL®, using the tool MATLAB livelinkTM. Once the heat flux is obtained, COMSOL® is used again to generate the temperature thermal gradient for the whole model. Numerical results such as: Maximum temperature in the contact area and temperature field for the coated and uncoated tool were obtained. A comparaison between the numerical and experimental results for the thermocouples were also performed. The results showed an increase in the heat flux and in the maximum temperature in the contact area for the coated tool in comparison with the uncoated tool.

5
  • FERNANDO BRUNO DOVICHI FILHO
  • Determinação dos potenciais técnico e econômico da geração de eletricidade a partir da biomassa: Estudo de Caso do estado de Minas Gerais

  • Orientador : ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DIEGO MAURICIO YEPES MAYA
  • ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • FLAVIO DIAS MAYER
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MARCELO RISSO ERRERA
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • QUELBIS ROMAN QUINTERO
  • Data: 02/05/2022

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  • A presente investigação tem como finalidade determinar os potenciais técnicos e econômicos da geração de eletricidade a partir de diferentes tipos de biomassa no estado de Minas Gerais, utilizando para isso diferentes tecnologias de geração de eletricidade, suportadas por diferentes rotas termoquímicas de combustão e gaseificação. Foram selecionadas as cinco biomassas de maior disponibilidade no estado de Minas Gerais: milho, soja, café, eucalipto e cana de açúcar, cujas culturas produzem resíduos que podem ser aproveitados para a geração elétrica. Considerando os dados técnicos, logísticos e econômicos das biomassas selecionadas, a pesquisa procurou definir os tipos de biomassa residual mais viáveis para a geração de eletricidade, em diferentes localidades do estado, por meio de uma abordagem de tomada de decisão multicritério (MCDM). Foi realizada uma revisão bibliográfica da maturidade dos diferentes tipos de tecnologias de geração de eletricidade a partir da biomassa a partir de informações disponíveis, esquemas e parâmetros operacionais de instalações reais. O nível de prontidão tecnológica das diferentes alternativas também foi avaliado através de uma pesquisa com especialistas do setor, concluindo-se que as tecnologias com maior nível de prontidão são o ciclo Rankine convencional, o ciclo Rankine orgânico e o uso de gaseificadores integrados com motores de combustão interna. Essas três alternativas tecnológicas foram adotadas como opções para a geração de eletricidade a partir da biomassa, obtendo-se uma escala dos tipos de biomassa disponíveis, através de uma metodologia multicritério. A determinação do peso dos critérios foi realizada a partir de uma integração com o processo de hierarquia analítica (AHP). Em conjunto com uma abordagem GIS-MCDA, foram avaliadas diferentes microrregiões considerando os seus respectivos recursos de biomassa, permitindo a estimativa dos custos e o desempenho de diferentes tecnologias de produção de eletricidade. Foi desenvolvido um algoritmo lógico para a seleção das alternativas de produção de energia a partir da biomassa, dando prioridade à viabilidade técnica, e considerando fatores como a disponibilidade da biomassa e suas características tais como poder calorífico, umidade e granulometria. Foram levantados os custos de investimento, custos operacionais, bem como custos logísticos para a geração de energia elétrica da usina, de acordo com a tecnologia empregada. As eficiências energéticas típicas destes ciclos situam-se entre 8 e 30 %, com a eficiência de conversão aumentando com a escala de geração. Para serem analisados, os sistemas de produção foram divididos de acordo com os seus intervalos de potência em aplicação industrial através de curvas de potências, sendo usinas com potência acima de 5 MWe utilizando o ciclo Rankine convencional, potência entre 0,5 e 4,1 MWe utilizando ciclos Rankine orgânicos, e os potenciais de menor capacidade adotando os ciclos de gaseificação e queima do gás de síntese em motores de combustão interna. Verificou-se que o eucalipto prevaleceu como a biomassa mais adequada para a maioria dos casos analisados, devido ao seu alto poder energético, vindo em seguida os resíduos da cana de açúcar, que são produzidos em maiores quantidades no estado. O ciclo Rankine convencional foi identificado como a tecnologia mais madura e também apresentou os menores custos de geração. Nos aproveitamentos que apresentaram viabilidade econômica, os custos da geração ficam entre US$ 0,10/kWh e US$ 0,24/kWh.


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  • The present investigation aims to determine the technical and economic potentials of electricity generation from different types of biomasses in the state of Minas Gerais, using different electricity generation technologies, supported by different thermochemical combustion and gasification routes. The five most available biomasses in the state of Minas Gerais were selected: corn, soybeans, coffee, eucalyptus and sugar cane, whose crops produce residues that can be used for electricity generation. Considering the technical, logistical and economic data of the selected biomasses, the research sought to define the most viable types of residual biomass for electricity generation, in different locations within the state, through a multi-criteria decision-making approach (MCDM). A bibliographic review of the maturity of different types of electricity generation technologies from biomass was carried out, based on available information, schemes and operational parameters of real installations. The level of technological readiness of the different alternatives was also evaluated through a survey with specialists in the sector, concluding that the technologies with the highest level of readiness are the conventional Rankine cycle, the organic Rankine cycle and the use of gasifiers integrated with internal combustion. These three technological alternatives were adopted as options for the generation of electricity from biomass, obtaining a scale of the types of biomasses available, through a multicriteria methodology. The determination of the criteria weight was carried out from an integration with the analytical hierarchy process (AHP). In conjunction with a GIS-MCDA approach, different micro-regions were evaluated considering their respective biomass resources, allowing the estimation of costs and performance of different electricity production technologies. A logical algorithm was developed for the selection of alternatives for energy production from biomass, giving priority to technical feasibility, and considering factors such as the availability of biomass and its characteristics such as calorific value, humidity and granulometry. Investment costs, operating costs, as well as logistical costs for generating electricity from the plant, according to the technology used, were surveyed. Typical energy efficiencies for these cycles are between 8 and 30%, with conversion efficiency increasing with generation scale. To be analyzed, the generation systems were divided according to their power ranges in industrial application through power curves, in which plants with power above 5 MWe were to use the conventional Rankine cycle, power between 0.5 and 4.1 MWe using organic Rankine cycles, and the lower capacity potentials adopting the gasification and syngas burning cycles in internal combustion engines. It was found that eucalyptus prevailed as the most suitable biomass for most of the cases analyzed, due to its high energy power, followed by sugarcane residues, which are produced in greater quantities in the state. The conventional Rankine cycle was identified as the most mature technology and also had the lowest generation costs. In the projects that showed economic viability, the generation costs were between US$ 0.10/kWh and US$ 0.24/kWh.

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  • MATHEUS BRENDON FRANCISCO
  • Metamodel-Based Optimization of Auxetic Structures

  • Orientador : GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLA TATIANA MOTA ANFLOR
  • BRUNO SILVA DE SOUSA
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • RICARDO MELLO DI BENEDETTO
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 13/05/2022

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  • Nesta tese, foi feito um estudo numérico-experimental para realizar a otimização do projeto de quatro modelos auxéticos (tubo reentrante, tubo sanduíche reentrante, viga reentrante e viga duplo-V) considerando cinco diferentes respostas das estruturas: massa, carga crítica de flambagem, frequência natural, coeficiente de Poisson e carga de falha sob compressão. A metodologia de superfície de resposta foi aplicada para gerar um conjunto de equações não lineares que podem representar a realidade. Um novo algoritmo de otimização denominado Multi-Objective Lichtenberg Algorithm foi usado para encontrar as melhores configurações possíveis. Sobre a viga reentrante, foi possível aumentar a carga de falha em 26.75% na otimização do desempenho de compressão. Além disso, na otimização do desempenho modal, foi possível aumentar a frequência natural em 37.43%. Sobre a viga duplo-V, a análise feita foi capaz de aumentar a carga crítica de flambagem e a carga de falha em 3.4% e 4.8%, respectivamente, no desempenho de compressão. Com relação ao desempenho modal, foi possível aumentar a frequência natural em 26.88% e reduzir o coeficiente de Poisson em 24.59%. Sobre o tubo reentrante, foi possível melhorar Qu e λ em mais de 40% enquanto a massa foi melhorada em 17.51% (em desempenho de compressão). No dese mpenho modal, foi possível reduzir a frequência natural em 6.92% e reduzir a proporção do Poisson em mais de 10%. Já com relação a estrutura sanduíche reentrante, foi possível melhorar (reduzir) o coeficiente de Poisson em mais de 56% na otimização do desempenho modal e melhorar a massa, o coeficiente de Poisson, a carga de falha e a carga crítica de flambagem no desempenho estático. Este é um estudo numérico-experimental inédito na literatura até o momento, pois foi possível avaliar o desempenho estático e modal de três modelos auxéticos em um problema de otimização multiobjetivo. 


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  • A numerical-experimental study was performed to carry out a deep design optimization. It was considered four different auxetic models (reentrant auxetic tube, auxetic sandwich tube, reentrant beam, and double-V beam) and five different structural responses: mass, critical buckling load, natural frequency, Poisson’s ratio, and failure load under compression. The response surface methodology was applied to generate a metamodel based on non-linear equations that can represent reality. A new optimization algorithm called the Multi-Objective Lichtenberg Algorithm was used to find the best possible settings. In the reentrant beam, the failure load was increased by 26.75% in compression performance optimization. Furthermore, in the optimization of modal performance, the natural frequency was increased by 37.43%. For the double-V beam, the analysis done was able to increase the critical buckling load and failure load by 3.4% and 4.8%, respectively, in compression performance. With respect to modal performance, it was possible to increase the natural frequency by 26.88% and reduce the Poisson’s ratio by 24.59%. Regarding the reentrant auxetic tube, it was possible to improve Qu and λ in more than 40% while the mass was improved in 17.51% (in compression performance). In modal performance, the natural frequency and the Poisson’s ratio were reduced in 6.92% and 10%, respectively. Thus, for the auxetic sandwich tube, it was possible to improve (reduce) the Poisson’s ratio by more than 56% in the optimization of the modal performance and improve the mass, the Poisson’s ratio, the failure load, and the critical buckling load in the static performance. This is a numerical-experimental study unprecedented in the literature to date because it was possible to evaluate the static and modal performance of four auxetic model in a multi-objective optimization problem.

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  • LUCAS LINCOLN FONSECA SOARES
  • Método de interação viscosa/não-viscosa para redução do domínio computacional em problemas de aerodinâmica

  • Orientador : NELSON MANZANARES FILHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEX MENDONÇA BIMBATO
  • IVAN FELIPE SILVA DOS SANTOS
  • LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • MARCELO ASSATO
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • Data: 30/06/2022

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  • Visto que simulações de CFD para problemas de escoamento externo podem ocasionar elevados custos computacionais, o presente trabalho apresenta um método de interação viscosa/não-viscosa que permite simular o escoamento viscoso em domínio computacional reduzido, que abrange a região rotacional do escoamento (também chamado de subdomínio viscoso). Para tal, é proposta uma metodologia interativa que consiste em: calcular o escoamento potencial fora da região rotacional; impor a velocidade daquele escoamento como condição de contorno na fronteira do subdomínio viscoso; calcular velocidades de transpiração para corrigir o escoamento potencial; recalcular o campo de velocidades do escoamento potencial fora da região rotacional; e atualizar as condições de contorno no subdomínio viscoso. Para determinar a velocidade de transpiração, foi utilizada a abordagem de decomposição de velocidades, que vem sendo explorada para desenvolver métodos de interação viscosa/não-viscosa. Nessa abordagem, para calcular a transpiração, é necessário primeiro determinar uma fronteira onde a vorticidade seja desprezível (denominada fronteira rotacional). Determinar a fronteira rotacional pode ser uma tarefa complexa. Duas propostas foram então apresentadas para tratar dessa questão: usar uma superfície auxiliar de transpiração para facilitar a determinação daquela fronteira (e para servir de superfície de colocação do escoamento potencial), e usar critérios alternativos para avaliar a vorticidade desprezível. Foram realizados cálculos no subdomínio viscoso para problemas de escoamento bidimensional, incompressível, permanente, laminar ou turbulento, sobre o perfil NACA 0012, corpos rombudos e múltiplos corpos. O uso da metodologia proposta permitiu reduzir os custos computacionais, e os resultados dos coeficientes aerodinâmicos e dos campos do escoamento viscoso obtidos no domínio reduzido, em geral, foram satisfatórios para os níveis de engenharia.


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  • Since CFD simulations for external flow problems may cause high computational costs, the present work presents a viscous/inviscid interaction method that allows to simulate the viscous flow in a reduced computational domain, which encompasses the rotational flow region (also called viscous subdomain). To this end, an interactive methodology is proposed, which consists of: calculate the potential flow outside the rotational region, impose the velocity of potential flow as a boundary condition at the boundary of the viscous subdomain, calculate the transpiration velocity to correct the potential flow, recalculate the field of potential flow velocities outside the rotational region, and update boundary conditions in the viscous subdomain. To determine the transpiration velocity, the velocity decomposition approach was used, which has been explored to develop methods of viscous/inviscid interaction. In this approach, to calculate the transpiration, it is necessary to first determine a boundary where the vorticity is negligible (called the rotational boundary). Determining the rotational boundary can be a complex task. Thus, two proposals were made to address this issue: the use of an auxiliary surface to facilitate the determination of rotational boundary (and to serve as a control surface for the potential flow), and to use of alternative criteria to evaluate the negligible vorticity. Calculations were performed in the viscous subdomain for two-dimensional, incompressible, steady, laminar or turbulent flows problems, on the profile NACA 0012 , bluff bodies and multiple bodies. The use of the proposed methodology allowed to reduce the computational costs, and the results of the aerodynamic coefficients and of the viscous flow fields obtained in the reduced domain, in general, were satisfactory for the engineering levels.

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  • CAMILA APARECIDA DINIZ
  • METAMODELO BASEADO NA OTIMIZAÇÃO ESTÁTICA E DINÂMICA DE ESTRUTURAS COMPÓSITAS COM PLY DROP-OFFS

  • Orientador : GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • BRUNO SILVA DE SOUSA
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • LUIZ CLAUDIO PARDINI
  • RICARDO MELLO DI BENEDETTO
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • YOHAN ALI DIAZ MENDEZ
  • Data: 22/07/2022

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  • Atualmente não existe uma equação analítica que seja capaz de analisar questões relacionadas ao desempenho de estruturas com ply drop-offs. Com intuito de suprir essa questão, um metamodelo usando Projeto de Experimentos e o algoritmo SunFlower para otimização do comportamento estático e dinâmico de estruturas com ply drop-offs foi proposto nesse estudo. Através de simulações numéricas e testes experimentais, uma caracterização sobre o comportamento estático e dinâmico de tubos escalonados híbridos e não híbridos foi proposta. Então, um metamodelo foi desenvolvido considerando os resultados obtidos com as simulações numéricas, onde a melhor localização para os ply drop-offs foi identificada e, posteriormente, esta localização ótima foi usada na manufatura dos tubos. Os resultados numéricos revelaram que o tubo híbrido reforçado com fibras de carbono e vidro suportou um maior carregamento em condições de flambagem quando comparado aos tubos não híbridos. Antes da manufatura dos tubos, um estudo comparativo experimental envolvendo estruturas sanduíches honeycomb considerando diferentes faces e núcleos foi desenvolvido com intuito de analisar as características de cada tecido aplicado na face das estruturas. Os resultados mostraram que o tecido híbrido reforçado com fibras de vidro e aramida não era viável na manufatura dos tubos. Então, para a manufatura das estruturas tubulares foram considerados os tecidos reforçados com fibras de carbono, vidro e carbono/aramida. Os resultados experimentais obtidos com as estruturas ótimas mostraram que a hibridização proporcionou um aumento no nível de amortecimento. As análises modais executadas com as estruturas intactas e danificadas demonstraram uma suave redução na primeira frequência natural e no fator de amortecimento para as estruturas danificadas. Então, estruturas tubulares sem drop-offs foram manufaturadas e testes experimentais foram realizados. A estrutura híbrida manufaturada com fibras de carbono, aramida e vidro provou ser uma opção promissora em condições de compressão, suportando um carregamento de 9,489 kN, enquanto a estrutura não escalonada suportou um carregamento de 13,283 kN. Além disso, essa estrutura foi considerada mais leve com massa de 53 gramas e revelou um custo de manufatura reduzido, quando comparado às outras estruturas híbridas. A estrutura híbrida não escalonada apresentou massa de 77 gramas, o que corresponde a uma massa 30% maior quando comparado à estrutura escalonada. Finalmente, o metamodelo baseado na otimização provou ser viável e vantajoso.


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  • Nowadays, there is no analytical equation able to analyze the issues related to the performance of structures with ply drop-offs. In order to address this issue, a metamodel using Design of Experiments and the SunFlower Algorithm for static and dynamic optimization of composite structures with ply drop-offs was developed in this study. Through numerical simulations and experimental tests, a characterization of the static and dynamic behavior of tapered hybrid and non-hybrid tubes was proposed. Then, a metamodel was developed considering the results obtained through numerical simulations, where the best ply drop-off location that provides the best static and dynamic conditions was identified, and, posteriorly, it was applied in the manufacture of the tubes. The numerical results revealed that the hybrid tube reinforced with carbon and glass of fibers supported a high loading in buckling conditions when compared with non-hybrid tubes. Before the manufacture of the tubular structures, an experimental comparative study using honeycomb sandwich structures with different face sheets and cores was proposed to analyze the fabric characteristics. The results showed that the hybrid fabric reinforced with glass and aramid of fibers was demonstrated to be not viable for tubular structure manufacture. Then, in the manufacture of the tubular structures, the carbon, glass, and carbon/aramid hybrid fabrics were applied. The experimental results obtained with the optimized structures revealed that the hybridization provided an increase in the level of damping. The modal analyses performed on the intact and damaged structures demonstrated a smooth reduction in the first natural frequency and in the damping factor for the damaged structures. Aiming a comparative analysis between tapered and non-tapered structures, tubular structures without ply drop-offs were manufactured and experimental tests were performed. The hybrid tapered structure manufactured with carbon, aramid, and glass of fibers proved to be a promising option in compression conditions, supporting a loading of 9.489 kN, while the non-tapered structure supported a loading of 13.283 kN. In addition, this hybrid structure revealed a lower manufacturing cost when compared with the other hybrid structures, and it was considered lighter with a mass of 53 grams. The non-tapered hybrid structure had a mass of 77 grams, 30% higher than the tapered structure’s mass. Therefore, metamodel-based static and dynamic optimization was demonstrated to be feasible and advantageous for determining the optimum ply drop-off location.

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  • TANIA MARIE ARISPE ANGULO
  • Metodologia de projeto de ventiladores axiais de baixo ruído através de análises aeroacústica

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ISRAEL JORGE CARDENAS NUNEZ
  • LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • MARCELO ASSATO
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • SERGIO-RICARDO GALVÁN-GONZÁLEZ
  • WALDIR DE OLIVEIRA
  • Data: 28/07/2022

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  • O estudo e análises do som gerado por escoamentos, tem se tornado cada vez mais importante em diversas áreas da indústria desde equipamentos eletrodomésticos até sistemas de propulsão aeronáutica. Um caso particular é o ruído gerado por ventiladores axiais aplicados nos sistemas de resfriamento nos grupos geradores. Estes equipamentos representam fontes de ruído consideráveis que devem ser tratadas de forma a não ultrapassar os limites admissíveis. Nesse sentido diversos estudos vêm sendo realizados com o intuito de analisar e propor técnicas de controle de ruído ocasionado pelo escoamento do ventilador.
    Sendo assim, a aeroacústica tem-se tornado um tópico importante a ser considerado para o estudo e identificação das fontes de ruído e para a análise de técnicas de redução do ruído gerado pelo escoamento do rotor que possam ser incorporadas desde a fase do projeto.
    Este trabalho apresenta uma metodologia para o projeto aeroacústico de rotores de ventiladores de fluxo axial, considerando a teoria da asa de sustentação, a condição de equilíbrio radial, a condição de vórtice livre e forçado e a incorporação do efeito sweep com base numa função cúbica, como técnica de controle de ruído aerodinâmico. A metodologia de análise utilizada baseia-se na integração de técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) e modelos de predição de ruído para determinar as principais características de desempenho dos ventiladores e para avaliar a influência das variações geométricas (sweep) incorporadas, nos campos acústicos e aerodinâmicos do ventilador.
    As análises numéricas foram realizadas a partir de simulações em regime permanente para a obtenção das curvas características do ventilador e a identificação das fontes de ruído local. Numa segunda abordagem, em regime transiente foi analisado o nível de pressão sonora em função de frequência para a análise do comportamento aeroacústico considerando a norma ISO 13347-3: 2004 para o posicionamento dos receptores. A metodologia da simulação para obter as grandezas aerodinâmicas foi validada através dos ensaios experimentais de um ventilador de pás de espessura constante sem torção.
    Os experimentos foram realizados no banco de testes adequado às normas ASHRAE (Norma 5175) / AMCA (Norma 210-74) do Laboratório de Ventiladores (LabVent) do IEM/UNIFEI.
    A principal contribuição da metodologia proposta neste trabalho é a incorporação de mecanismos de controle de ruído aerodinâmico desde a etapa do projeto através de uma abordagem com baixo custo computacional que consiste numa análise de sensibilidade para determinar os parâmetros que permitem diminuir as fontes locais de ruído aerodinâmico sem comprometer o as características de desempenho aerodinâmico.
    Os resultados mostraram que os projetos com a incorporação do sweep com base na condição de vórtice livre e vórtice forçado reduzem as fontes de ruído e melhoram o desempenho aerodinâmico do ventilador em comparação com a geometria base do rotor. É importante destacar que os rotores dos ventiladores axiais projetados apresentam um comportamento aerodinâmico consistente em termos de rendimento hidráulico e pressão total, uma vez que os valores máximos de rendimento estão distantes da região de estol.


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  • The study and analysis of the sound generated by flows has become increasingly important in several areas of the industry, from household appliances to aeronautical propulsion systems. A particular case is the noise generated by axial fans applied to the cooling systems in the generator sets. These equipment represent considerable noise sources that must be treated so as not to exceed the permissible limits. In this sense, several studies have been carried out with the aim of analyzing and proposing noise control techniques caused by the fan flow.
    Therefore, aeroacoustics has become an important topic to be considered for the study and identification of noise sources and for the analysis of noise reduction techniques generated by rotor flow that can be incorporated from the design stage.
    This work presents a methodology for the aeroacoustic design of axial flow fan rotors, considering the lift wing theory, the radial equilibrium condition, the free and non-free vortex condition and the incorporation of the sweep effect based on a cubic function, as an aerodynamic noise control technique. The analysis methodology used is based on the integration of Computational Fluid Dynamics techniques and noise prediction models to determine the main performance characteristics of fans and to evaluate the influence of the incorporated geometric variations (sweep) in the acoustic and aerodynamic fields of the fan.
    Numerical analyzes were performed based on steady-state simulations to obtain fan characteristic curves and identify local noise sources. In a second approach, in transient regime, the sound pressure level was analyzed as a function of frequency for the analysis of the aeroacoustic behavior considering the ISO 13347-3: 2004 standard for the positioning of the receivers. The simulation methodology to obtain the aerodynamic magnitudes was validated through the experimental tests of a fan with constant thickness blades without torsion.
    The experiments were carried out in the test bench suitable for ASHRAE (Norma 5175) / AMCA (Norma 210-74) standards of the Ventilator Laboratory (LabVent) of IEM/UNIFEI.
    The main contribution of the methodology proposed in this work is the incorporation of aerodynamic noise control mechanisms from the design stage through an approach with low computational cost that consists of a sensitivity analysis to determine the parameters that allow reducing the local sources of aerodynamic noise without compromising the aerodynamic performance characteristics.
    The results showed that designs incorporating sweep based on free vortex and forced vortex condition reduce noise sources and improve the aerodynamic performance of the fan compared to the base rotor geometry. It is important to highlight that the designed axial fan rotors present a consistent aerodynamic behavior in terms of hydraulic efficiency and total pressure, since the maximum efficiency values are far from the stall region.

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  • JOÃO LUIZ JUNHO PEREIRA
  • DESENVOLVIMENTO DE UM ALGORITMO DE OTIMIZAÇÃO MULTI-OBJETIVO BASEADO EM FIGURAS DE LICHTENBERG

  • Orientador : GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • SAMUEL DA SILVA
  • ANDERSON PAULO DE PAIVA
  • DOMINGOS ALVES RADE
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • YOHAN ALI DIAZ MENDEZ
  • Data: 22/08/2022

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  • Esta tese de doutorado traz os conceitos mais importantes de otimização multi-objetivo e uma revisão sistemática dos artigos mais citados nos últimos anos deste tema em engenharia mecânica. O estado da arte mostra uma tendência no uso de meta-heurísticas e de técnicas de tomada de decisão a posteriori para resolver problemas de engenharia. Este fato aumenta a demanda sobre os algoritmos, que competem para entregar respostas mais precisas com o menor custo computacional possível. Nesse contexto, é proposta uma nova meta-heurística híbrida multi-objetivo inspirada em raios e Figuras de Lichtenberg. O Algoritmo de Lichtenberg Multi-objetivo (MOLA) é testado e comparado com outras metaheurísticas usando funções de teste complexas e problemas restritos e explícitos de engenharia. Ele superou os algoritmos mais utilizados na literatura: NSGA-II, MOPSO, MOEA/D, MOGWO e MOGOA. Após validação, foi aplicado em dois problemas complexos e impossíveis de serem analiticamente otimizados. O primeiro foi um caso de projeto: otimização multi-objetivo de tubos isogrid CFRP usando o método dos elementos finitos. As otimizações foram feitas considerando duas metodologias: i) usando um meta-modelo, e ii) atualização por elementos finitos. A última provou ser a melhor metodologia, encontrando soluções que reduziram pelo menos 45,69% da massa, 18,4% do coeficiente de instabilidade, 61,76% do TW e aumentaram em pelo menos 52,57% a frequência natural. Na segunda aplicação, MOLA foi modificado internamente e associado a técnicas de feature selection para se tornar o Seleção e Alocação ótima de Sensores Multi-objetivo baseado no Algoritmo de Lichtenberg (MOSSPOLA), um algoritmo inédito de Otimização de Posicionamento de Sensores (SPO) que maximiza a resposta modal adquirida e minimiza o número de sensores para qualquer estrutura. Embora isto seja um princípio de Monitoramento da Saúde Estrutural, nunca foi feito antes. O MOSSPOLA foi aplicado na pá do rotor principal de um helicóptero real usando as 7 métricas mais conhecidas em SPO. Frentes de Pareto e configurações de sensores foram ineditamente geradas e comparadas. Melhores distribuições de sensores foram associadas a um alto hipervolume e o algoritmo encontrou uma configuração de sensor para cada número de sensores e métrica, incluindo uma com 100% de precisão na identificação de delaminação considerando deslocamentos modais triaxiais, número mínimo de sensores e ruído para todas as seções da lâmina.


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  • This doctoral dissertation presents the most important concepts of multi-objective optimization and a systematic review of the most cited articles in the last years of this subject in mechanical engineering. The State of the Art shows a trend towards the use of metaheuristics and the use of a posteriori decision-making techniques to solve engineering problems. This fact increases the demand for algorithms, which compete to deliver the most accurate answers at the lowest possible computational cost. In this context, a new hybrid multi-objective metaheuristic inspired by lightning and Linchtenberg Figures is proposed. The Multi-objective Lichtenberg Algorithm (MOLA) is tested using complex test functions and explicit contrainted engineering problems and compared with other metaheuristics. MOLA outperformed the most used algorithms in the literature: NSGA-II, MOPSO, MOEA/D, MOGWO, and MOGOA. After initial validation, it was applied to two complex and impossible to be analytically evaluated problems. The first was a design case: the multi-objective optimization of CFRP isogrid tubes using the finite element method. The optimizations were made considering two methodologies: i) using a metamodel, and ii) the finite element updating. The last proved to be the best methodology, finding solutions that reduced at least 45.69% of the mass, 18.4% of the instability coefficient, 61.76% of the Tsai-Wu failure index and increased by at least 52.57% the natural frequency. In the second application, MOLA was internally modified and associated with feature selection techniques to become the Multi-objective Sensor Selection and Placement Optimization based on the Lichtenberg Algorithm (MOSSPOLA), an unprecedented Sensor Placement Optimization (SPO) algorithm that maximizes the acquired modal response and minimizes the number of sensors for any structure. Although this is a structural health monitoring principle, it has never been done before. MOSSPOLA was applied to a real helicopter’s main rotor blade using the 7 best-known metrics in SPO. Pareto fronts and sensor configurations were unprecedentedly generated and compared. Better sensor distributions were associated with higher hypervolume and the algorithm found a sensor configuration for each sensor number and metric, including one with 100% accuracy in identifying delamination considering triaxial modal displacements, minimum number of sensors, and noise for all blade sections.

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  • ANGELA DE JESUS VASCONCELOS
  • Estudo da microdureza, condutividade elétrica e desgaste a Seco de Ligas Al7Si0,4MgxFe obtidas por Solidificação Horizontal

  • Orientador : MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • GEOVANI RODRIGUES
  • MARIA ADRINA PAIXÃO DE SOUZA DA SILVA
  • ANTÔNIO LUCIANO SEABRA MOREIRA
  • OTAVIO FERNANDES LIMA DA ROCHA
  • Data: 23/08/2022

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  • Neste trabalho, a liga Al-7%Si-0,4%Mg e a liga com adição de Fe, Al-7%Si-0,4%Mg-1,2%Fe foram submetidas a um experimento de solidificação horizontal através de um dispositivo refrigerado a água e equipado com termopares para obtenção de dados como temperatura e tempo, que por sua vez permitiram a obtenção de parâmetros térmicos de solidificação como velocidade de crescimento (VL) e taxa de resfriamento (TR), a serem determinadas. O comportamento mecânico de amostras com diferentes espaçamentos dendríticos secundários (2) e comprimento da fase β-Al5FeSi (βFe) foram avaliados por meio de ensaios de desgaste por esfera rotativa fixa, foram obtidos dados como volume (WV) e taxa de desgaste (WR), dois dos principais parâmetros de desgaste investigados. A metalografia quantitativa por microscopia óptica e eletrônica de varredura (MEV), juntamente com a espectroscopia por energia dispersiva (EDS), permitiu a caracterização das microestruturas fundidas, quanto às crateras desgastadas e o comprimento da fase. Variações mais significativas na resistência ao desgaste da liga investigada foram encontradas para faixas de2 e β-Al5FeSi que se situam dentro de
    12-20 μm e 14-36 μm, respectivamente, composta predominantemente por fases primárias ricas em Al e estruturas eutéticas α-Al+Si+-Mg2Si+β-Al5FeSi favorecendo valores reduzidos de volume (WV) e taxa de desgaste (WR). Para valores de 2 e
    β-Al5FeSi superiores a 24 e 48 μm, respectivamente, o volume (WV) e taxa de desgaste (WR) estabilizam assumindo valores constantes que dependem da distância de deslizamento. Além das equações do tipo potência relacionando 2 e β-Al5FeSi a VL e TR, também são propostas expressões matemáticas para variações de WV e WR com 2 e β-Al5FeSi. O comportamento elétrico foi obtido para avaliar alterações elétricas na presença do ferro para diferentes espaçamentos dendríticos secundários (2), essa propriedade elétrica foi obtida por medidas de condutividade elétrica (%IACS). A presença das fases -Al5FeSifunciona como um obstáculo para a condução elétrica na liga, e menores tamanhos de fase -Al5FeSi são encontrados para altas taxas de resfriamento e menores valores de espaçamento dendrítico secundário (2), é onde a condutividade elétrica é maior. Assim, maiores medições de espaçamento dendrítico secundário (2) foram solidificadas com menores taxas de resfriamento, apresentando elevada quantidade da fase -Al5FeSie diminuindo os valores de condutividade com o elevado teor de Fe.


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  • Welding processes may cause undesirable residual stresses and their detection is possible using different methods. Some residual stress detection methods or techniques are destructive or semi-destructive, therefore not always applicable. Some methods are non-destructive, such as X-ray diffraction, neutron diffraction, and ultrasound. However, they are complex and high cost. One possible non-destructive method to detect welding residual stresses, lower cost than the current techniques, is being studied by some researchers. This method is based in the phenomenon which a structure natural frequencies vary when welding residual stress is applied. It consists in measuring the structure natural frequencies after welding, and comparing them to natural frequency values considered ideal values. These ideal values are obtained from finite element method simulation. However, the welding process simulation is not trivial; it implies at least four finite element analysis which can be executed in different manners. Different researchers have been developing studies with different types of structures, materials and results. The aim of this study is to analyze which parameters can improve Finite Element Method (FEM) model performance for obtaining simulation results closer to experiments. In this study, five models were developed and validated with experimental studies. It was observed that models using 2D shell elements generate better results than odels using 3D solid elements. In addition, it was observed that the symmetry technique which can be used in plate simulations leads to significant lower computational times, but affect modal results and, in addition, do not generate natural frequency values for all vibrational modes; therefore, the symmetry technique should be avoided in this type of analysis. The birth and death technique, which simulates filler metal deposition, was also analyzed and it was concluded that this technique has small effect in the results. Finally, this work proposes an interpolation technique for the natural frequency values to evaluate the modal results variation due to welding residual stresses.

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  • MARCELA SILVA LAMOGLIA
  • Estudo do equilíbrio de fases no sistema Al-Fe-Nb pelo processo de Mechanical Alloying

  • Orientador : ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • DURVAL RODRIGUES JUNIOR
  • GEOVANI RODRIGUES
  • KATIA REGINA CARDOSO
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • Data: 21/11/2022

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  • O conhecimento das fases de equilíbrio do sistema Al-Fe-Nb, e o entendimento de suas microestruturas, são importantes para o desenvolvimento de diversas famílias de ligas, como as superligas à base de nióbio para aplicações a altas temperaturas, as ligas de metais leves empregadas principalmente em carrocerias de automóveis e aços com adições de alumínio, as quais requerem materiais com baixa densidade e alta resistência a corrosão para aplicações aeroespaciais e aeronáuticas. Entretanto, os processos de fusão a arco e indução, utilizados comumente para fabricação dessas ligas apresentam algumas restrições, como por exemplo, as elevadas temperaturas e longos tempos de processo, altas pressões de vapor que geram significativas perdas de massa por evaporação, assim como diferenças significativas entre as temperaturas de fusão dos elementos e a impossibilidade de se obter materiais em escala nanométrica. Portanto, o processo de Mechanical Alloying (MA) torna-se uma alternativa viável, que permite sintetizar diferentes tipos de fases, como soluções sólidas supersaturadas, e fases intermetálicas, a partir dos pós elementares, numa reação em estado sólido, em um moinho de bolas de alta energia, que propicia tempos mais curtos de processo quando comparados aos convencionais para obtenção de fases em ligas com materiais refratários. E consequentemente, os tratamentos térmicos (TT) subsequentes a MA, para formação e/ou estabilização de fases, em temperaturas bem menores aos empregados a estabilização de fases após fusão. Com isso, é possível viabilizar o estudo do equilíbrio de fases em regiões pouco ou ainda não exploradas do diagrama, como a região rica em Nb, em temperaturas abaixo de 1000 °C. Baseado nessa premissa, nesse estudo, foram produzidas amostras nos sistemas binários Fe-Nb e Nb-Al em composições estabelecidas nos campos bifásicos e no sistema ternário Al-Fe-Nb em regiões de alta concentração de Nb com composições que apresentam seções isotérmicas com equilíbrio de três fases distintas. Nos experimentos iniciais, para definição dos parâmetros de Mechanical Alloying, utilizou-se pós elementares de Al (min. 99,9%), Fe (min. 99,8%) e Nb (min. 99,8%), com três diferentes agentes controladores de processo (Metanol, Hexano e Ácido Esteárico), em quatro diferentes tempos de moagem (20, 40, 60 e 80 horas). A MA foi realizada em um moinho planetário de alta energia, com atmosfera inerte de gás argônio, a uma rotação de 350 rpm. Foram analisadas as morfologias dos pós, a distribuição de tamanho de partícula, a formação de fase, as reduções do tamanho de cristalito e os parâmetros de rede. Após realizada as definições dos parâmetros de processo, aplicou-se as para todas as composições estudas. Os tratamentos térmicos após MA, foram realizados nas temperaturas de 600 °C, 800 °C e 1000 °C por 48 horas. Analizou-se à morfologia por Microscopia Eletrônica de Varredura modo Elétrons Secundários (MEV/ES). E identificou-se as fases por difratometria de raios X, assim como a fração volumétrica das fases por refinamento Rietveld. Obteve-se a formação de fases em alguns sistemas a partir da MA, como para a amostra Nb-60Al (%at.), que apresentou 33,0 %v. da fase NbAl3 na condição moída e 40,3%v. após TT a 1000 °C. Já para o sistema ternário, na amostra Nb-55Al-5Fe (%at.) foi possível alcançar o equilíbrio de fases esperado para sua seção isotérmica. Ademais, foi possível observar que em todos estudos, fases intermetálicas foram obtidas, como exemplos, a Laves (Fe2Nb) a partir do TT a 600 °C para composição Fe-15Nb (%at.), as fases Nb2Al e Nb3Al para TT a 800 °C na composição Nb-23Al (%at.), e as fases Nb3Al, Nb2Al e NbAl3 após TT a 600 °C para composição Nb-17Al-3Fe (%at.).


  • Mostrar Abstract
  • The knowledge regarding balance phases of Al-Fe-Nb system, and the understanding of its microstructures, are important for development of several families of alloys, such as niobiumbased super-alloys for use in high temperatures, light metal alloys used mainly in vehicles bolide, and aluminum added steels, which request low density and high-resistance to corrosion materials, used in aerospace and aeronautic applications. Although, arc fusion and induction processes commonly used for manufacturing of these alloys present some restrictions, such as high temperatures, lengthy times of process, high steam pressure that cause severe mass loss by evaporation, significant fusion temperatures of elements and the impossibility to obtain materials in nanometric scale. Thus, the Mechanical Alloying (MA) process becomes a viable alternative, which allows to synthesize different phase types, as well as supersaturated solid solutions, and intermetallic phases, from elementary powders, in a solid state reaction, into high-energy ball milling that offers shorter process time when compared to conventional methods for obtaining of phases in alloys with refractory materials. Consequently, heat treatments subsequent to MA for phase formation and/or stabilization, in significant lower temperatures than those used for phase stabilization after fusion are reached. Thereby, it is possible to makes viable the study of phase balance in regions yet or few explored in diagram, such as Nb rich region, in temperatures under 1000 °C. Based on this premise, in this study there were produced samples in Fe-Nb and Nb-Al samples, with compositions that present isothermal sections with balance of three distinctive phases. In initial experiments, in order to define Mechanical Alloying parameters, powders of Al (min. 99.9%), Fe (min. 99.8%) and Nb (min. 99.8%) were used, with three different process control agents (methanol, hexane and stearic acid), under four milling times (20, 40, 60 and 80 hours). The MA was conducted in a high-energy planetary mill, under inert atmosphere of argon gas, in a rotation of 350 rpm. The analysis focused on powder morphology, distribution of particle size, phase formation, reductions of crystallite sizes and lattice parameter. After set the process parameters, these were applied to all studied compositions. Heat treatment after MA were developed for 600 °C, 800 °C and 1000 °C temperatures for 48 hours. The morphology analysis was made with Scanning Electron Microscopy, in Secondary Electron mode (SEM/SE). The phases were obtained by Xray diffractometry, and phase volumetric fractions by Rietveld refining. Phase formation was reached in some systems just after MA, such as for Nb-60Al (%at.) alloy, which presented 33.0 %v. of NbAl3 phase for milled condition, and 40.3 %v. after heat treatment at 1000 °C. For ternary system, in Nb-55Al-5Fe (%at.) sample, it was possible to reach the expected phase balance for its isothermal section. Furthermore, it was possible to observe that for all studies, intermetallic phases were obtained, e.g. Laves from heat treatment at 600 °C for Fe-15Nb (%at.) composition, the phases Nb2Al and Nb3Al in heat treatment at 800 °C for Nb-23Al (%at.) composition, and phases Nb3Al, Nb2Al and NbAl3 after heat treatment at 600 °C for Nb-17Al-3Fe (%at.) composition.

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  • RAFAELLA BARRETO CAMPOS
  • Estudo acerca do uso de Controle Adaptativo baseado na Estrutura do Regulador Integrativo Universal aplicado a Controle de Voo de Aeronaves

  • Orientador : SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEXANDRE CARLOS BRANDAO RAMOS
  • EDSON HIDEKI KOROISHI
  • MARCELO BRAGA DOS SANTOS
  • MARCELO SANTIAGO DE SOUSA
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • YOHAN ALI DIAZ MENDEZ
  • Data: 16/12/2022

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  • Esta tese aborda estudos feitos no sentido de se integrar as técnicas de controle adaptativo e do Regulador Integrativo Universal (RIU). Os estudos começaram com a implementação de um ganho não constante, mas em função do erro. Este controlador foi chamado de RIUM (Regulador Integrativo Universal Modificado). Isso será o primeiro passo rumo a implementação de ganhos adaptativos. Foram feitas simulações com o controle de voo de um quadrirotor. Com o intuito de validar a técnica proposta, foram feitas comparações com as técnicas RIU, MRAC (Model Reference Adaptive Control) e combinações destas técnicas. As comparações foram feitas a partir dos resultados plotados nos gráficos e no cálculo de dois índices de desempenho: o erro acumulado (EA) e a demanda de controle (DC). Uma demonstração analítica de estabilidade da técnica de controle RIUM também foi apresentada. Depois disso, foram analisadas formas de se integrar controle adaptativo com RIU, e foram testadas as formas obtidas. As contribuições deste trabalho foram a apresentação e estudo detalhado do controlador RIUM aplicados a um quadrirotor, e os estudos inicias feitos no intuito de projetar um Regulador Integrativo Universal com ganhos adaptativos (RIUA).


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  • This thesis addresses studies carried out in order to integrate the adaptive control techniques and the Universal Integral Regulator (UIR). The studies started with the implementation of a non-constant gain, but based on the error. This controller was called MUIR (Modified Universal Integral Regulator). This will be the first step towards implementing adaptive gains. Simulations with flight control of a quadrotor were performed. In order to validate the proposed technique, comparisons were made with the UIR, MRAC (Model Reference Adaptive Control) techniques and combinations of these techniques were tested. Comparisons were based on the results plotted on graphs and on the calculation of two performance indices: the accumulated error (AE) and the control demand (CD). An analytical stability demonstration of the MUIR control technique was also presented. After that, ways of integrating adaptive control with UIR were analyzed, and the obtained ways were tested. The contributions of this work were the presentation and detailed study of the MUIR controller applied to a quadrotor, and the initial studies carried out in order to design a Universal Integral Regulator with adaptive gains (AUIR).

2021
Dissertações
1
  • Guilherme Antonio Oliver
  • Identificação de Danos baseada em Transformada Wavelet em Vigas Laminadas de Material Compósito

  • Orientador : GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • ARIOSTO BRETANHA JORGE
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 10/02/2021

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  • Estruturas de material compósito tem as delaminações, o descolamento das camadas do laminado devido ao rompimento da interface fibra-matriz, como seu principal modo de falha. Diferentemente de outros danos, como trincas, muitas vezes as delaminações não são visíveis na superfície, o que causa uma detecção tardia e pode levar a falhas repentinas e catastróficas. Para garantir que essas estruturas funcionem perfeitamente, são necessários métodos precisos de monitoramento da integridade estrutural. O presente estudo propõe um índice de dano para identificar delaminações em uma viga fabricada em material compósito, porém, com desenvolvimento baseado em uma metodologia bem definida. O índice de dano proposto é composto por soma ponderada dos coeficientes de detalhe da Transformada Wavelet Discreta, obtidos pela aplicação da transformada aos modos de vibração da estrutura. Modelos numéricos das vigas foram criados usando a redução da rigidez em áreas limitadas para simular danos, estes modelos forneceram dados para ajuste dos coeficientes do índice de dano feito por meio de um arranjo de misturas e de uma otimização multiobjetivo. Após resultados substanciais para identificação de danos em casos numéricos, a eficiência do índice de dano foi testada com vigas reais em fibra de carbono. Os corpos de prova foram fabricados com delaminações induzidas pela incorporação de filmes antiaderentes entre as camadas. Mais uma vez, o índice de dano se mostrou eficiente para localizar danos em quase todas as posições ao longo da viga. É importante enfatizar que o índice de dano proposto é um método que não requer informações da estrutura original sem danos. Este estudo também realiza uma análise estatística dos efeitos das características do dano, como posição e severidade, na identificação do dano. Os resultados da análise servem de base para o desenvolvimento de métodos de identificação de danos mais sofisticados e otimizados.


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  • Laminated composite structures suffers from delamination, the detachment of the layers due to the rupture of the fiber-matrix interface, as their principal mode of failure. Differently from other damages, such as cracks, delaminations are often not visible on the surface causing a late detection and leading to sudden failures. To ensure that laminated composite structures operate flawlessly, precise monitoring methods are required. The present study proposes a damage index to identify delaminations in a laminated composite beam, yet, the development is based on a well-defined methodology. The proposed damage index is composed of a weighted sum of Discrete Wavelet Transform detail coefficients, obtained by applying the transform to the mode shapes of the structure. Numerical models of the beams with a stiffness reduction in limited areas to simulate damage, provided data for tuning the coefficients of the damage index by performing a mixture design analysis and a multiobjective optimization. After substantial results for identifying damage in numerical cases, the damage index efficiency was tested with real carbon fiber-reinforced polymer beams. The experimental specimens were manufactured with delaminations induced by embedding non-sticking films between the layers. Again, substantial results in identifying damaged were achieved. The damage index proved to be efficient to locate damage in almost all positions along the beam. It is important to emphasize that the proposed damage index is a no-baseline method, a method that does not require information of the pristine structure. Finally, this study performs a deep statistical analysis on the effects of damage characteristics, such as position and severity, in a damage identifying technique. The results of the analysis serves as basis for developing more sophisticated and optimized damage identifying methods.

2
  • ELIOENAI LEVI BARBEDO
  • Reutilização do cavaco do aço Vanadis 8 pelo processo de metalurgia do pó utilizando a moagem de alta energia

  • Orientador : GILBERT SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DURVAL RODRIGUES JUNIOR
  • GEOVANI RODRIGUES
  • GILBERT SILVA
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • Data: 22/02/2021

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  • O aço ferramenta Vanadis R 8 é um material fabricado por metalurgia do pó, amplamente utilizado nafabricação de matrizes, punções, ferramentas para corte e conformação a frio. Este aço de altíssimo desempenho possui em sua composição química alto teor de carbono, combinado com os elementos de liga cromo, molibdênio e vanádio, com propriedades mecânicas de alta resistência ao desgaste, alta tenacidade, grande estabilidade dimensional, sendo aplicado em ferramentas que necessitam de alta durabilidade. Além disso, o Vanadis R
    8 possui alto valor agregado, e quando este material é usinado, o processo gera cavacos que são vendidos como sucata para empresas que utilizam em seus processos a refusão, uma técnica custosa que degrada o meio ambiente. Sendo assim, este estudo tem como objetivo o reaproveitamento do aço Vanadis 8, utilizando a rota de metalurgia do pó.
    Para isso, foi realizado a obtenção dos pós pela Moagem de Alta Energia em duas fases. Na 1 fase da MAE foram adicionados carbetos de (vanádio VC e molibdênio Mo2C) durante o processo de moagem com concentração de 3%, com a finalidade de se reduzir o tamanho das partículas com distribuição mais homogênea possível dos pós. Os parâmetros utilizados foram rotação 350 rpm, relaçao massa/bola (1:15) e tempo de moagem 4, 8 e 12 horas. Foram feitas análises como: MO, MEV, DRX, Difração a Laser, tamanho médio de cristalito e grau de cristalinidade. Na 2a fase da MAE, utilizou-se o DOE fatorial e o DOE RSM para definir os parâmetros mais significativos e equacionar o modelo obtido pelas respostas dos experimentos difração a laser e peneiramento. Os intervalos dos parâmetros utilizados na 2a fase da MAE foram rotação 300–400 rpm, relaçao massa/bola (1:15) etempo de moagem 12–50 horas. A análise de variância (ANOVA) dos experimentos, mostraram que
    para a difração a laser, os ajustes para as respostas foram inconclusivos, isto, devido ao baixo valorde R2 ad j representado pelo ajuste. Para o experimento peneiramento o ajuste das respostas mostraram uma modelagem dentro dos limites aceitáveis, na qual pode-se obter o seu equacionamento. Através dos resultados foi possível concluir que a mistura do pó do V 8 com a adição de 3% de VC foi a configuração mais eficiente para a redução das partículas, e com o DOE RSM , determinou-se que a energia dada ao processo através da rotação foi o parâmetro mais estatisticamente significativo. Além disso, foi possível notar pela modelagem DOE RSM, que com rotação e tempo máximos de 400 rpm e 50 h, o processo conseguiu transformar 78% dos pós em partículas com as mesmas características das vendidas comercialmente, enquanto que com 400 rpm e 28 horas de moagem o processo conseguiu alcançar 60% de eficiência, sendo esta configuração a mais viável economicamente.


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  • Vanadis 8 tool steel is a material manufactured by powder metallurgy, widely used in the manufacture of dies, punches, tools for cutting and cold forming. This high-performance steel has a high carbon content in its chemical composition combined with the alloy elements Chromium, Molybdenum and Vanadium, with mechanical properties of high wear resistance, high tenacity, excellent dimensional stability, being applied in tools that require high durability. Furthermore, Vanadis 8 has high value-added , and when this material is machined, the process generates chips that are sold as scrap to companies that use remelting in their processes, an expensive technique that degrades the environment environment. Thus, this study aims to reuse Vanadis 8, using the powder metallurgy route. For this, it was realized the obtaining of the powders by the High Energy Milling in two phases. In the first phase of HEM, carbides of (Vanadium VC and Molybdenum Mo2C) were added during the milling process with a concentration of 3 %, in order to improve the mechanical properties. The parameters used were rotation 350 rpm, mass / ball ratio (1:15) and milling time 4, 8 and 12 hours.
    In order to technically determine the most efficient configuration, analyzes were made such as: MO, SEM, DRX, Laser Diffraction, average crystallite size and degree of crystallinity. In the second phase of HEM, the factorial DOE and the DOE RSM were used to define the most significant parameters and to equate the model obtained by the responses of the laser diffraction and screening experiments. The parameter ranges in the second phase of the HEM were rotation 300–400 rpm, mass / ball ratio (1:15) and grinding time 12–50 hours. The analysis of variance (ANOVA) of the experiments, showed that for the laser diffraction the adjustments for the answers were inconclusive, due to the low value of R2 ad j. For the sieving experiment the adjustment of the responses showed a modeling within the acceptable limits, in which it is possible to obtain its equation. Through the results it was possible to
    conclude that the mixing of the powder of V 8 with the addition of 3%of VC was the most efficient configuration for the reduction of particles, and with DOE RSM, it was determined that rotation was the most significant parameter. In addition, it was possible to notice by the DOE RSM modeling, that the greater the rotation and the time, the smaller the particle size, being that in the rotation of 400 rpm and time of 50 hours of grinding, the process managed to transform 78 % of the powders in particles with the same characteristics as those sold commercially, while with 400 rpm and 28 hours of grinding the process managed to reach 60 % efficiency, this configuration being the most economically viable.

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  • Lucas Bonino Silva
  • Análise das Tensões Residuais Induzidas pelo Processo de Torneamento Duro do Aço ABNT 4340

  • Orientador : MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HAROLDO CAVALCANTI PINTO
  • JOAO ROBERTO FERREIRA
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • PAULO JUNHO DE OLIVEIRA
  • Data: 26/03/2021

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  • Tensões residuais foram induzidas em corpos de prova do aço ABNT 4340 temperado e revenido pormeio da operação de torneamento ortogonal, variando-se os parâmetros de usinagem baseado em umplanejamento de experimentos estatístico de superfície de resposta. O experimento analisou a vari-ação da velocidade de corte (Vc), da taxa de avanço (f), da profundidade de corte (ap) e da dureza(H) do material. Para caracterizar os corpos de prova, foram aferidas as tensões residuais nas direçõesdo avanço (σf) e da velocidade de corte (σVc) através da técnica do furo cego incremental, além damedição da rugosidade média do perfil (Ra) e da altura máxima do perfil de rugosidade (Rt). Tambémforam obtidas metalografias das seções transversais de cada amostra, evidenciando a região próximaa face usinada para caracterizar a microestrutura do material. Para a rugosidade média, somente oavanço, sua interação quadrática (f2) e a interaçãoVcxapforam considerados estatisticamente signifi-cativos, com contribuições de 92,80%, 5,14% e 0,26% na resposta. Já para a altura máxima, somente oavanço e sua interação de segunda ordem tiveram alguma significância, com contribuições de 92,77%e 5,72%. Os resultados demonstraram que é possível obter rugosidades classe N5 e N6, que eviden-ciam o potencial do torneamento duro na substituição de operações de retificação. Ainda, os modelosde regressão tiveram excelentes coeficientes de ajuste, podendo ser utilizados para previsão e controleda rugosidade final. As tensões residuais em ambos as direções, no geral, ficaram próximos de zero,com uma leve tendência à compressão. Os menores valores encontrados foramσf=−115,2MPaeσVc=−152,1MPa. Porém, o modelo regressivo proposto não possui uma boa correção com os dadosexperimentais, sendo impossível analisar o comportamento das tensões residuais. Não foi registradaa formação de camada branca em nenhum dos espécimes avaliados, bem como não foram vistas alte-rações na microestrutura das amostras. Não foram encontrados desgastes significativos nas pastilhasde metal duro revestido utilizadas


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  • Tensões residuais foram induzidas em corpos de prova do aço ABNT 4340 temperado e revenido pormeio da operação de torneamento ortogonal, variando-se os parâmetros de usinagem baseado em umplanejamento de experimentos estatístico de superfície de resposta. O experimento analisou a vari-ação da velocidade de corte (Vc), da taxa de avanço (f), da profundidade de corte (ap) e da dureza(H) do material. Para caracterizar os corpos de prova, foram aferidas as tensões residuais nas direçõesdo avanço (σf) e da velocidade de corte (σVc) através da técnica do furo cego incremental, além damedição da rugosidade média do perfil (Ra) e da altura máxima do perfil de rugosidade (Rt). Tambémforam obtidas metalografias das seções transversais de cada amostra, evidenciando a região próximaa face usinada para caracterizar a microestrutura do material. Para a rugosidade média, somente oavanço, sua interação quadrática (f2) e a interaçãoVcxapforam considerados estatisticamente signifi-cativos, com contribuições de 92,80%, 5,14% e 0,26% na resposta. Já para a altura máxima, somente oavanço e sua interação de segunda ordem tiveram alguma significância, com contribuições de 92,77%e 5,72%. Os resultados demonstraram que é possível obter rugosidades classe N5 e N6, que eviden-ciam o potencial do torneamento duro na substituição de operações de retificação. Ainda, os modelosde regressão tiveram excelentes coeficientes de ajuste, podendo ser utilizados para previsão e controleda rugosidade final. As tensões residuais em ambos as direções, no geral, ficaram próximos de zero,com uma leve tendência à compressão. Os menores valores encontrados foramσf=−115,2MPaeσVc=−152,1MPa. Porém, o modelo regressivo proposto não possui uma boa correção com os dadosexperimentais, sendo impossível analisar o comportamento das tensões residuais. Não foi registradaa formação de camada branca em nenhum dos espécimes avaliados, bem como não foram vistas alte-rações na microestrutura das amostras. Não foram encontrados desgastes significativos nas pastilhasde metal duro revestido utilizadas

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  • MARCELO MARQUES GOMES DIAS
  • Otimização do Efeito Sweep da Turbina Eólica NREL-Phase VI, através de CFD e da construção de metamodelos

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JERSON ROGERIO PINHEIRO VAZ
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • Data: 27/05/2021

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  • Esse trabalho apresenta um procedimento de otimização através da variação da curva de sweep de uma Turbina Eólica de Eixo Horizontal de duas pás, previamente ensaiada pelo laboratório estadunidense denominado National Renewable Energy Laboratory (NREL). A metodologia utilizada para realizar a simulação numérica foi: uso de malha não estruturada em todo o domínio, regime permanente, com dois referenciais, sendo um não inercial no domínio do rotor, e um inercial no campo distante, modelo de turbulência k-ω SST, o esquema de discretização do momento foi o de primeira ordem a montante, algoritmo de acoplamento SIMPLE. Foi realizado critério de independência de malha, e também validação através da comparação com dados experimentais do momento da pá, tendo concluído que a metodologia foi validada para velocidades de vento entre 5 m/s e 16 m/s. Posteriormente , foi realizada uma integração de processos de geração de geometria, malha e simulação numérica, para otimizar o coeficiente de potência, através da introdução do ângulo de sweep nas pás, sendo variados o expoente da curva, a posição radial de início da curvatura e o deslocamento máximo da ponta da pá durante o processo de otimização.

    Este processo foi feito utilizando p algoritmo NSGA-II, que é uma modificação do Algoritmo Genético, com o coeficiente de potência (Cp) sendo a função objetivo. No processo, foi possível obter duas geometrias otimizadas para a pá, sendo uma com sweep para frente, que resultou em um aumento de 4,58% no Cp, e outra com sweep para trás, que resultou em um aumento de 5,62% no Cp para velocidade de vento de 11 m/s, que consistiu no ponto mais alto da região estável. Também foi construído um metamodelo para, tentar conseguir um ótimo ainda melhor de maneira rápida, e que permitiu a obtenção de uma turbina com 5,93% mais Cp do que a original.

    Além disso, as geometrias otimizadas forneceram um aumento do coeficiente de potência para toda a faixa de operação entre 10 m/s e 15 m/s.


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  • This work presents an optimization procedure through the variation of the sweep curve of a two bladed Horizontal Axis Wind Turbine, previously tested by the National Renewable Energy Laboratory (NREL).

    The simulation was conducted using unstructured mesh on whole domain, steady state with multiple reference frames: a moving reference frame around the rotor, and a steady reference frame on the far field region. The turbulence model was the k-ω SST, the coupling algorithm was the SIMPLE, and the discretization scheme was the first order upwind for the moment. It was also conducted a grid indepence study and a validation with experimental data from NREL Phase VI, using the moment as the control variable, whereby it was concluded that the numerical method was validated for a range of wind speeds from 5 m/s to 16 m/s.
    In addition, it has been also made an integration of processes of geometry generation, mesh generation and simulation, aiming to optimize the power coefficient of the blades, by means of introducing the sweep angle on the geometry of the blades. The parameters of sweep, such as radial position of sweep start, maximum displacement of the tip and the exponent of the curve, were chosen as the design variables, and varied during the optimization process through genetic algorithm, with the power coefficient being the objective function.

    As a result of the optimization process, it was possible to obtain two optimized geometries for the blade, one with forward sweep with an increase of 4,49% on the power coefficient; and another one with backward sweep, which has resulted in an increase of 5,62% on power coefficient. Both cases were tested for a wind speed of 11 m/s, which was the speed with the highest moment within the stable range of operation. Furthermore, it was built a metamodel, aiming to fastly get a better optimum point. The optimization with metamodel has yielded a turbine with 5,93% more Cp in comparison with the baseline turbine. Moreover, both geometries yielded greater power coefficients for all wind speeds between 10 m/s and 15 m/s.

5
  • FERNANDO VIANA AVELAR DUTRA
  • Estimações das temperaturas no torneamento usando problemas inversos em medições por termovisor e termopares

  • Orientador : SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • ELISAN DOS SANTOS MAGALHÃES
  • ROGERIO FERNANDES BRITO
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • Data: 19/07/2021

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  • A usinagem desempenha um papel importante na fabricação de peças mecânicas. Este trabalho analisa especificamente o torneamento, o qual é um dos processos de usinagem. Quando se analisa o aspecto geral no torneamento percebe-se altos esforços atuando na região de corte. Os altos esforços junto às pequenas dimensões do contato cavaco-ferramenta contribuem no desenvolvimento de altas temperaturas de corte. Além disso, a temperatura é um fator crucial associado ao desgaste da ferramenta. O foco deste trabalho foi de analisar as temperaturas na interface cavaco-ferramenta. O modelo tridimensional de análise para as temperaturas agrupava o calço, o suporte da ferramenta, o grampo e a ferramenta. A solução do problema foi divida em duas partes: uma aplicando técnicas inversas, e a outra com a solução do problema direto. As técnicas inversas usadas foram a Função Especificada Não Linear e a Regularização de Viagem no Tempo. Essas técnicas foram aplicadas através da ferramenta LiveLink que integra o COMSOL® e o MATLAB®. A solução direta do problema envolve resolver a equação da difusão de calor tridimensional não linear em regime transiente. Dentre as condições de contorno do problema direto encontra-se a de fluxo de calor imposto no contato cavaco-ferramenta. Esse fluxo de calor desempenha um papel fundamental na resolução do problema. Em aspectos gerais, esse fluxo de calor permitia ao problema direto fornecer estimações de temperaturas que eram comparadas com os valores experimentais. Na experimentação foi usada uma ferramenta de metal duro. Termopares e uma câmera termográfica foram os responsáveis pelas medições das temperaturas. Os resultados das simulações foram analisados e comparados com os valores obtidos experimentalmente. Realizou-se uma comparação entre os fluxos de calor estimados pela Função Especificada Não Linear e pela Regularização de Viagem no Tempo. Também pontuou-se diferenças quanto ao uso de câmera térmica ou termopares na abordagem do problema inverso.


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  • Machining plays an important role in the manufacturing of mechanical parts. This work analyzes specifically the turning, which is one type of the machining processes. When it is studied the general aspect of turning, one realizes high efforts acting on the cutting zone. The high efforts along with the small dimensions of the insert-chip contact area contribute to the development of high cutting temperatures. Furthermore, the temperature is an important factor associated with the wear of cutting tools. The focus of the work was to analyze the temperatures developed at the insert-chip interface. It was used in the analysis a model assembling the shim, tool holder, clamp and cutting tool. This model was represented three-dimensionally. The solution of the problem was divided into two parts: one applying inverse techniques, and another with the solution of the direct problem. It was used as inverse techniques the Nonlinear Function Specification Method (NFSM) and the Time Traveling Regularization (TTR). These techniques were applied by using LiveLink for MATLAB®, which integrates COMSOL® with MATLAB®. The direct solution of the problem relates to solving the three dimensional non-linear transient diffusion equation. Among the boundary conditions of the direct problem, one is the heat flux imposed at the insert-chip contact area. This heat flux is essential for the solution of the problem. In general, this heat flux allows the direct problem to estimate temperatures; these estimations are then applied into the inverse problem and compared to experimental values of temperature. Comparing the estimated temperatures with the experimental ones provided new information about the heat flux, which was updated and again used into the direct problem. For the experiments it was used an insert of cemented carbide. Thermocouples and a thermal imaging camera were used for temperature measurements. The results of the simulations were analyzed and compared to experimental values. Comparisons were made between the heat flux values estimated by the NFSM and by the TTR. In addition were highlighted the differences in estimations regarding the use of thermal camera or thermocouples in the inverse problem approach.

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  • DANIEL OLIVEIRA SILVA
  • Projeto e Análise VOF Transiente de Rotores Pelton

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • SERGIO-RICARDO GALVÁN-GONZÁLEZ
  • Data: 21/07/2021

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  • Este trabalho apresenta uma metodologia para o projeto conceitual de turbinas Pelton,
    onde as configurações ou dimensões são determinadas em função da condição de carga
    nominal. Para a determinação da energia e eficiência hidráulica da turbina, são introduzidas as perdas em termos de energia específica, sendo posteriormente consideradas as fugas e as perdas mecânicas. Esta metodologia permite obter as coordenadas espaciais que representam a superfície côncava da concha. Os resultados preliminares do projeto são comparados com um modelo numérico em regime transiente (CFD), procedimentos e metodologias para a simulação são apresentados em detalhes, como a construção da malha no domínio não inercial, representado por cinco conchas e interfaces de mistura deslizantes entre os domínios inerciais e não inercial. Os modelos multifásico, VOF e turbulência k-ω / SST foram selecionados considerando valores de passo tempo em torno de 0,000185 s., a fim de representar o torque instantâneo resultante da interação entre as conchas e o jato. Resultados da simulação foram estendidos para analises da eficiência hidráulica, no ponto de projeto e em carga parcial.


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  • This work presents a methodology for the conceptual design of Pelton turbines, where
    configurations or dimensions are determined as a function of the nominal load condition. To
    determine the energy and hydraulic efficiency of the turbine, losses in terms of specific
    energy are introduced, and leakage and mechanical losses are then considered. This
    methodology allows obtaining the spatial coordinates that represent the concave surface of the
    bucket. The preliminary results of the project are compared with a numerical model in
    transient regime (CFD), procedures and methodologies for the simulation are presented in
    details, such as the construction of the mesh in the non-inertial domain, represented by five
    buckets and sliding mixing interfaces between the inertial and non-inertial domains. The
    multiphase, VOF and turbulence k-ω / SST models were selected considering step time values
    around 0.000185 s., in order to represent the instantaneous torque resulting from the
    interaction between the buckets and the jet. Simulation results were extended to analysis of
    hydraulic efficiency, at the design point and at part load

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  • ANDRÉ LUIZ DE SOUZA ANDRADE
  • Análise do Comportamento Dinâmico de Turbogeradores a Gás Operando em Sistema Isolado

  • Orientador : OSVALDO JOSE VENTURINI
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MARCIO MONTAGNANA VICENTE LEME
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • VLADIMIR RAFAEL MELIAN COBAS
  • Data: 16/08/2021

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  • Turbinas a gás são amplamente utilizadas como acionadores primários nos setores de transporte, acionamento mecânico e geração de eletricidade. O perfil operacional destas máquinas vem se tornando mais dinâmico e flexível, devido à busca contínua da expansão de seu envelope operacional. Turbinas a gás aeroderivativas, como é o caso da turbina do estudo de caso deste trabalho, são utilizadas para inúmeros propósitos como acionadoras de bombas, compressores e bem como geração de energia elétrica. O modelo desenvolvido neste trabalho teve como intuito avaliar uma nova topologia de geração de energia elétrica para uma FPSO - Unidade Flutuante de Produção, Armazenamento e Transferência de Petróleo - e gás que tradicionalmente utiliza múltiplos turbogeradores a gás operando em paralelo, no qual o principal propósito foi estudar o comportamento de um gerador síncrono e um gerador de indução operando paralelamente. O trabalho apresenta um modelo computacional de turbogeradores aeroderivativos de 30,7 MW acionando geradores, o qual foi desenvolvido utilizando uma biblioteca integrada ao Matlab/Simulink chamada T-MATS, desenvolvida pelo NASA’s Glenn Research Center. O modelo desenvolvido foi primeiramente avaliado em condições de regime permanente para fins de validação e calibração, o parâmetro de menor precisão para esta condição de operação obteve um erro relativo de 0,94%. Então o modelo foi submetido a diferentes mudanças de carga para avaliação do comportamento dinâmico da máquina em diferentes condições ambientes. Foram utilizados dados de manuais do fabricantes e dados de operações de campo para validação do modelo, o qual apresentou boa precisão para simular o comportamento do turbogerador quando acionando geradores elétricos síncronos, apresentando um maior erro relativo de 0,77%. Em seguida avaliou-se o comportamento dinâmico de dois turbogeradores operando em paralelo quando sujeitos a condições de operação típicas de um sistema isolado de uma FPSO, sendo que um dos turbogeradores aciona um gerador síncrono e o outro um gerador de indução. Esta nova configuração apresentou resultados estáveis quando gerador síncrono absorve toda a demanda de carga e o gerador de indução é mantido a plena carga.


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  • Gas turbines are widely used as primary drives in the transport, mechanical drive and electricity generation sectors. The operational profile of these machines is becoming more dynamic and flexible, due to the continuous search for expansion of its operational envelope. Aeroderivative gas turbines, such as the turbine in the case study of this work, are used for numerous purposes such as pump drives, compressors and as well as electrical energy generation. The model developed in this work aimed to evaluate a new electric power generation topology for an FPSO (Floating Production Storage and Offloading) that traditionally uses gas turbogenerators operating in parallel, not which the main purpose was to study the behavior of a synchronous generator and an induction generator operating in parallel. The work presents a computational model of 30.7 MW aeroderivative turbogenerators driving generators, which was developed using a library integrated to Matlab / Simulink called T-MATS, developed by NASA's Glenn Research Center. The developed model was evaluated under steady state conditions for validation and calibration purposes, the parameter with the lowest precision for this condition of obtaining obtained a relative error of 0.94%. Then the model was subjected to different load changes to evaluate the machine's dynamic behavior under different environmental conditions. Data from manufacturers' manuals and field operations data were used to validate the model, which showed good accuracy to simulate the behavior of the turbogenerator when activated synchronous electric generators affected a higher relative error of 0.77%. Then, the dynamic behavior of two turbogenerators operating in parallel was evaluated when subjected to typical operating conditions of an isolated FPSO system, where one of the turbogenerators drives a synchronous generator and another induction generator. The proposed arrangement presents stable results when the synchronous generator absorbs all the load demand and the induction generator is kept at full load.

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  • Mateus Rotiliano Azevedo
  • Microcanal com junção em T: estudo numérico bidimensional de padrões bifásicos de gotas usando o Método Campo de Fase

  • Orientador : ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • CARLOS BARREIRA MARTINEZ
  • ELISAN DOS SANTOS MAGALHÃES
  • Data: 30/08/2021

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  • Os escoamentos bifásicos são amplamente encontrados nas mais diversas aplicações práticas, tais como sistemas de refrigeração, reatores nucleares, refinarias de petróleo, unidades de geração de energia e muitas outras. Entre os equipamentos que empregam os escoamentos bifásicos, vêm ganhando cada vez mais destaque os dispositivos microfluídicos. Esses dispositivos possuem dimensões da ordem de alguns mícrons e são empregados em diferentes ramos da indústria (farmacêutica, eletrônica, cosmética, médica, etc.). Nesse contexto, destacase a importância de se estudar as características dos escoamentos bifásicos e os processos neles envolvidos, como, por exemplo, a formação, a ruptura e a coalescência de gotas/bolhas. O presente trabalho tem como objetivo estudar o escoamento de uma gota em um microcanal bidimensional com junção em formato de T. Investiga-se o comportamento da gota na junção e os regimes de ruptura ou não-ruptura da gota, assim como a influência que parâmetros como o número de capilaridade e o comprimento da gota exercem sobre seu escoamento. O estudo é conduzido por meio de simulações numéricas realizadas no software comercial COMSOL Multiphysics®, o qual emprega o Método dos Elementos Finitos para discretizar as equações governantes de um fenômeno físico. O Método Campo de Fase, disponível no COMSOL, é utilizado para representar a interface entre a fase contínua e a fase dispersa do escoamento bifásico. Além disso, são aplicadas técnicas de refinamento local e de refinamento adaptativo da malha computacional em regiões de maior interesse do domínio, como as paredes e a
    interface entre os fluidos, a fim de melhorar a precisão da solução numérica. Foram estudados diferentes casos, cada qual com uma combinação de número de capilaridade e de comprimento da gota no momento que ela atinge a bifurcação em T. Obteve-se dados como o regime de ruptura da gota e a evolução temporal da espessura mínima do pescoço da gota na junção. Todos os resultados foram comparados com resultados presentes na literatura, a fim de se validar a metodologia empregada. Por fim, constatou-se que os resultados numéricos obtidos apresentaram uma boa concordância com a literatura de referência.


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  • Two-phase flows are widely found in the most diverse practical applications, such as refrigeration systems, nuclear reactors, oil refineries, power generation units and many others. Among the equipment employing two-phase flows, microfluidic devices have been gaining more prominence lately. These devices have dimensions on the order of a few microns and are used in different branches of industry (pharmaceutical, electronics, cosmetics, medical, etc.). In this context, the importance of studying the characteristics of two-phase flows is highlighted, as well as the processes involved in them, such as the formation, breakup and coalescence of droplets/bubbles. This work aims to study the flow of a droplet in a two-dimensional microchannel with a T-shaped junction. The behavior of the droplet at the junction and the breakup or non-breakup regimes of the droplet are investigated, as well as the influence of parameters such as capillary number and droplet length on its flow. The study is conducted by means of numerical simulations performed in the commercial software COMSOL Multiphysics®, which uses the Finite Element Method to discretize the governing equations of a physical phenomenon. The Phase Field Method, available in COMSOL, is used to represent the interface between the continuous phase and the dispersed phase of the two-phase flow. In addition, local mesh refinement and adaptive mesh refinement techniques are applied in regions of greater interest in the domain, such as the walls and the interface between the fluids, in order to improve the accuracy of the numerical solution. Different cases were studied, each with a combination of capillary number and droplet length as it reaches the T-junction. Data such as the droplet breakup regime and the temporal evolution of the minimum thickness of the droplet neck at the junction were obtained. All results were compared with results present in the literature, in order to validate the methodology used. Finally, it was found that the numerical results obtained were in good agreement with the literature.

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  • ALLAN BARBOSA DA SILVA
  • ESTUDO DA VARIAÇÃO DE GASES DE PROTEÇÃO NA SOLDAGEM GMAW-STT® DO AÇO ASTM A-36

  • Orientador : EDMILSON OTONI CORREA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLOS ALBERTO CARVALHO CASTRO
  • EDMILSON OTONI CORREA
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • RENATA NEVES PENHA
  • SERGIO SOUTO MAIOR TAVARES
  • Data: 29/09/2021

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  • Devido ao avanço de pesquisas e desenvolvimento de novos processos de soldagem é de suma importância a investigação dos efeitos que as variáveis de entrada exercem nas variáveis de saída. Portanto, é objetivo do presente trabalho investigar a influência do gás de proteção na soldagem GMAW com transferência por curto-circuito controlado, utilizando a tecnologia STT®️ aplicada ao aço estrutural ASTM A-36. O desenvolvimento do trabalho foi estruturado por meio de um planejamento experimental que permitisse avaliar a interação das variáveis estudadas - corrente de pico, corrente de base, velocidade de alimentação, velocidade de soldagem e gás de proteção. A primeira etapa consiste em uma análise exploratória, em que foi utilizado um planejamento fatorial fracionário, de forma que os efeitos principais das variáveis de entrada pudessem ser identificados com uma menor quantidade de ensaios. Após essa análise, foi utilizado fatorial completo para modelagem das saídas, já que não foi observada curvaturas nas respostas. As soldas foram realizadas sobre chapa (bead on plate – BOP), utilizando o processo GMAW-STT®️. Para a análise das características geométricas do cordão as amostras foram preparadas valendo-se de técnicas metalográficas e, então, submetidas à macroscopia ótica. A melhor condição foi repetida em juntas de topo utilizando tanto o processo STT®️ como o GMAW convencional, para efeito de comparação. Assim, os corpos de provas soldados foram preparados para os ensaios mecânicos de tração, microdureza e medição de Largura da ZTA e Penetração em Face. A variação do gás de proteção se mostrou determinante nas propriedades geométricas da junta soldada, e o processo STT®️ apresentou resultados de tamanho de ZTA menores que o GMAW Convencional. Para a Penetração em face os dois processos apresentaram respostas muito similares.


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  • Due to the advance of research and development of new welding processes, it is important to investigate the effects that the variables of entry perform on the variables of output. Therefore, the aim of this work is to investigate the influence of the welding parameters, mainly the shielding gas, on the GMAW STT® (Surface Tension TransferTM) derivative process applied in the welding of the ASTM A-36 structural steel, and compare its results with the GMAW process. For this purpose, a design of experiments was carried out, in form to evaluate the interaction of the variables studied at all levels. In the first phase of the research, screening experiments were conducted, using fractional factorial design, to explore the main effects of the input variables with less quantity of runs. After, in the next phase of the project, a full factorial design was used to responses modeling, once it did not present curvature. The welds were made in BOP (bead on plate) using GMAW STT® welding. For the analysis of the bead geometry the test specimens were prepared by mettalography and later submitted to optical macroscopy. The optimal condition will be repeated in top joints and welded by GMAW and STT® process welding, and the welded specimens prepared for the mechanical tests of traction, microhardness, Heat Afected Zone and Penetration measurement. The variation of the protection gas was determinant at the geometrical proprieties of the welded joint, and the STT process shower smaller results of ZTA size than the conventional GMAW. As of Penetration, both processes had similar response.

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  • GUILHERME MANDELO OLIVEIRA
  • Potencial de Geração de Eletricidade Proveniente dos Gases Efluentes da Produção de Carvão Vegetal em Minas Gerais

  • Orientador : JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MARCELO MODESTO DA SILVA
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • Data: 17/12/2021

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  • Minas Gerais é o Estado brasileiro que mais produz carvão vegetal, e esta produção se dá através de fornos de carbonização que emitem gases nocivos à atmosfera, desperdiçando energia útil e causando um impacto ambiental. Este trabalho se propõe a realizar uma avaliação do potencial de geração de eletricidade proveniente dos gases efluentes da produção de carvão vegetal em Minas Gerais a partir de diferentes tecnologias de conversão de eletricidade. Foi realizado um levantamento dos produtores de carvão vegetal no Estado e da sua produção a fim de conhecer o potencial energético disponível em 2020 com uma projeção até 2030. Nos estudos de geração de eletricidade, foram consideradas três tecnologias, a saber: o ciclo Rankine à vapor (SRC), o ciclo Rankine orgânico (ORC) e a turbina a gás de queima externa (EFGT). Para cada tecnologia, calcularam-se as eficiências de conversão que foram aplicadas em cada um dos empreendimentos previamente levantados. As eficiências variaram de 5% à 24%, dependendo do tipo de tecnologia para as faixas de potência de 100 kW à 2000kW. Mapas temáticos dos potenciais de geração em Minas Gerais foram criados, evidenciando uma concentração da produção nas regiões Norte e Nordeste do Estado. O maior potencial de geração para o estado foi de 1348 GWh/ano utilizando o ciclo ORC com regeneração e superaquecimento tendo como fluido de trabalho o n-decano. Também foi conduzida uma análise econômica levando em conta a venda de energia em leilões no mercado de energia, juntamente com uma análise de sensibilidade para cada variável de potência, preço de venda da energia, taxa mínima de atratividade, impostos, horas de operação da planta e preço de aquisição de bens consideradas. Os menores custos específicos de investimento foram do SRC, variando de 2.371,03 US$/kW à 2000 kW e 3.795,25 US$/kW à 500 kW. Os resultados demonstram que os atuais cenários técnicos e econômicos não são favoráveis para a implantação de usinas de geração de eletricidade baseadas na recuperação de gases residuais em plantas de produção de carvão vegetal no Estado de Minas Gerais, sendo praticamente impossível a viabilidade em plantas menores que 10 MW em um horizonte de 10 anos. Todas as tecnologias apresentaram preços de venda de energia acima dos 100 US$/MWh, que é acima da média dos últimos 3 anos. Contudo, o amadurecimento tecnológico dos meios de produção de carvão e tecnologias de conversão de eletricidade, aliados à um incentivo econômico baseado nos benefícios ambientais, podem propiciar uma melhora deste cenário futuramente.


  • Mostrar Abstract
  • Minas Gerais is the biggest charcoal producer in Brazil. This production happens in carbonization kilns that emit waste gases to the atmosphere, wasting useful energy and causing an environmental impact. In this work, an evaluation of the electricity generation potential from the effluent gases of the charcoal production in Minas Gerais was carried out using different electricity conversion technologies. A survey of charcoal producers in the State and their production was conducted in order to calculate the energy potential available in 2020 with a projection until 2030. For the electricity generation studies, three technologies were considered, namely: The Steam Rankine Cycle (SRC), the Organic Rankine Cycle (ORC) and the Externally Fired Gas Turbine (EFGT). For each technology, the efficiencies were calculated and applied for each of the previously surveyed producers. Efficiencies ranged from 5% to 24% depending on the type of technology power, ranging from 100kW to 2000kW. Maps of the power generation potentials in Minas Gerais were created, showing a concentration in the North and Northeast regions of the state. The highest power generation potential for the state was 1348 GWh/year using the ORC cycle with regeneration, superheating and n-decane as the working fluid. An economic analysis was also made, taking into account auctions for the energy sale in the energy market, together with a sensitivity analysis for each variable considered: Power, energy sale price, minimum attractiveness rate of return, taxes, plant operation time, and capital expenditure. The results demonstrate that the current technical and economic scenarios are not favorable for the implementation of electricity generation plants based on waste heat recovery from gases in charcoal production plants in the State of Minas Gerais, making feasibility in plants smaller than 10 MW practically impossible over a 10-year horizon. All technologies had energy sales prices above 100 US$/MWh, which is higher than the average of the last 3 years. However, the technological development in the charcoal production kilns and electricity conversion technologies, combined with an economic incentive based on environmental benefits, may provide an improvement in this scenario in the future.

Teses
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  • RIEDER DE OLIVEIRA NETO
  • Simulação off-design de um sistema ORC para recuperação do calor residual de um motor de combustão interna

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CELSO EDUARDO TUNA
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • CÉSAR ADOLFO RODRÍGUEZ SOTOMONTE
  • JOSE ANTONIO PERRELLA BALESTIERI
  • JUAN VALENTIN MENDOZA MOGOLLON
  • MARCO ANTONIO ROSA DO NASCIMENTO
  • Data: 25/01/2021

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  • Os gases de exaustão de um motor de combustão interna (MCI) deixam o equipamento ainda com energia suficiente para gerar mais potência elétrica, se utilizado um sistema próprio para esse fim. Logo, devido a esse cenário de possibilidade de aumentar a eficiência da planta energética e, assim, diminuir a emissão de poluentes e consumo de combustível, neste trabalho fez-se um estudo sobre o aproveitamento da energia residual existente nos gases de combustão de um motor de combustão interna estacionário a diesel. Para tal, foi utilizado o ORC (Organic Rankine Cycle), ciclo termodinâmico que utiliza um fluido orgânico como fluido de trabalho. As análises constituem-se em três partes: 1) análise paramétrica de um sistema ORC em regime permanente on-design (dentro das condições de projeto) para averiguar a influência da variação dos parâmetros termodinâmicos, tanto na potência produzida quanto na vazão de fluido de trabalho, com o objetivo de determinar o ponto ótimo de operação do ciclo, denominado “ponto de projeto”; 2) análise paramétrica do mesmo ciclo, agora em regime permanente off-design (fora das condições de projeto), para verificação das mesmas influências quando são variadas as característica da fonte de calor (vazão e temperatura), agora sem variar o projeto geométrico dos equipamentos constituintes do ciclo, o que aproxima o funcionamento do ciclo à realidade; 3) a análise econômica de viabilidade de implantação para tal planta ORC, a partir do modelo baseado no CEPCI (Chemical Engineering's Plant Cost Index). Das análises termodinâmicas quanto a eficiência do ciclo, o projeto do sistema foi determinado para uma vazão do fluido de trabalho de 0,09 kg/s, pressão de evaporação e condensação de 3.870 kPa e 25 kPa, respectivamente e com o gás de exaustão (fonte de calor) à 420 °C e 0,1697 kg/s. A partir desse ponto de operação, foram determinadas as geometrias dos componentes básicos do ORC: evaporador, turbina, condensador e bomba. Para as simulações off-design, realizadas com auxílio do software ASPEN HYSYS® V.11, foram variadas a pressão de evaporação, a vazão de fluido de trabalho e as condições de entrada da fonte de calor. De tais simulações em diferentes condições, foi constatada uma produção de potência líquida mínima, média e máxima, respectivamente, de 8,56 kW, 15,59 kW e 26,29 kW, enquanto na condição de projeto foi de 14,72 kW. A análise econômica expõe que o investimento inicial para a implantação do sistema é de R$ 93.502,22 e o retorno financeiro e a taxa de retorno de chegam a uma média de 1,5 anos e 90%, respectivamente, a depender dos valores de juros tomados para o investimento. O estudo revela o sistema não requer grandes investimentos de capital e pode trazer retorno do investimento em pouco tempo e com ganhos satisfatórios a partir de então.


  • Mostrar Abstract
  • The exhaust gases of an internal combustion engine (MCI) leave the equipment still with sufficient temperature to generate more electrical power, if a system is used for this purpose. Therefore, due to this scenario of the possibility of increasing the efficiency of the energy plant, thus reducing the emission of pollutants and fuel consumption, in this work a study was made on the use of the residual energy existing in the combustion gases of an engine diesel stationary internal combustion. For this, the ORC (Organic Rankine Cycle) was used, a thermodynamic cycle that uses an organic fluid as the working fluid. The analyzes are evaluated in three parts: 1) parametric analysis of an ORC system in permanent on-design regime (within the design conditions) to ascertain the influence of the variation of thermodynamic parameters, both in power and in the flow of working fluid , with the objective of determining the optimum point of operation of the cycle, determined “design point”; 2) parametric analysis of the same cycle, now in a permanent off-design regime (outside the design conditions), to check the influences when they are varied as a characteristic of the heat source (flow and temperature), now without varying the geometric design of the equipment constituents of the cycle, which brings the functioning of the cycle closer to reality; 3) an economic analysis of the feasibility of implantation for such an ORC plant, based on the model based on CEPCI. From the thermodynamic analyzes regarding the cycle efficiency, the system design was determined for a working fluid flow of 0.09 kg / s, evaporation and condensation pressure of 3.870 kPa and 25 kPa, respectively and with the exhaust gas (heat source) at 420 ° C and 0.1697 kg / s. From that point of operation, the geometries of the basic components of the ORC were determined: evaporator, turbine, condenser and pump. For the off-design simulations, performed with the aid of the ASPEN HYSYS® V.11 software, the evaporation pressure, the working fluid flow and the heat source inlet conditions were varied. From such simulations in different conditions, a minimum, average and maximum net power production of 8.56 kW, 15.59 kW and 26.29 kW, respectively, was observed, while in the design condition of 14.72 kW. The informative economic analysis that the initial investment for the implementation of the system is R$ 93,502.22 and the financial return and the rate of return reach an average of 1.5 years and 90%, respectively, depending on the values of interest taken for investment. The study shows that the system does not require large capital investments and can bring return on investment in a short time and with satisfactory gains from then on.

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  • AURELIANO RODRIGUES BARBORATI RIBEIRO
  • Análise de Vibração em Estruturas Sanduíche com Materiais Compósitos e Núcleo Viscoelástico Utilizando o Método da Transformada Diferencial

  • Orientador : JOSE JULIANO DE LIMA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO WAGNER FORTI
  • BRUNO SILVA DE SOUSA
  • FERNANDO JOSE DE OLIVEIRA MOREIRA
  • JOSE JULIANO DE LIMA JUNIOR
  • PATRICIA DA SILVA LOPES ALEXANDRINO
  • Data: 23/04/2021

  • Mostrar Resumo
  • RIBEIRO, A. R. B. (2021), Análise de Vibração em Estruturas Sanduíche com Materiais
    Compósitos e Núcleo Viscoelástico Utilizando o Método da Transformada Diferencial, 208pp.
    Tese de Doutorado, Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá.
    Nesta tese faz-se uma análise dinâmica através da solução da equação diferencial de movimento de um modelo de viga compósita composta por três camadas, duas com material compósito e uma com núcleo viscoelástico. Inicialmente se obtém a equação diferencial que governa o movimento de vibração livre por meio da Teoria de vigas compósitas aplicando-se o Princípio de Hamilton. Essa equação é resolvida com a utilização do Método da Transformada Diferencial. Obtém-se os parâmetros modais como frequências naturais e modos de vibração.
    Descreve-se passo a passo o desenvolvimento dos corpos de prova feitos com o material tipo fibra de vidro e resina epoxy, onde a camada viscoelástica é embutida juntamente entre as camadas da manta de fibra de vidro no processo de infusão a vácuo conhecido como VARTM.
    Determina-se os fatores de amortecimento para as vigas compósitas com núcleo viscoelástico, utilizando-se a resposta da velocidade no tempo do ensaio de vibração livre, utiliza-se para isso a representação de um sistema com um grau de liberdade. Finalmente os resultados numéricos obtidos são comparados com outros autores, resultados teóricos e experimentais, com o objetivo de analisar a efetividade do equacionamento teórico e do método de solução utilizado. Uma boa concordância entre os resultados teóricos e experimentais é observada.


  • Mostrar Abstract
  • RIBEIRO, A. R. B. (2021),Vibration Analysis in Sandwich Structures with Composite
    Materials and Viscoelastic Core Using the Differential Transform Method, 208pp. Doctoral
    Thesis, Institute of Mechanical Engineering, Federal University of Itajubá.
    In this thesis a dynamic analysis is made through the solution of the differential equation
    of motion of a composite beam model composed of three layers, two with composite material
    and one with a viscoelastic core. Initially, the differential equation that governs the free vibration movement is obtained through the composite beam theory applying Hamilton’s Principle.
    This equation is solved using the Differential Transform Method. Modal parameters such as natural frequencies and vibration modes are obtained. We describe step by step the development of specimens made with fiberglass material and epoxy resin, where the viscoelastic layer is embedded together between the layers of the fiberglass mat in the vacuum infusion process known as VARTM. The damping factors for composite beams with viscoelastic core are determined, using the velocity response in time of the free vibration test, using for this the representation of a system with one degree of freedom. Finally, the numerical results obtained are compared with other authors, theoretical and experimental results, in order to analyze the effectiveness of the theoretical equation and the solution method used. A good agreement between theoretical and experimental results is observed.

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  • ROBERTO BERLINI RODRIGUES DA COSTA
  • Estudo experimental de um motor de ignição por compressão utilizando diesel renovável da cana-de-açúcar (farnesano) e biodiesel de óleo residual de cozinha (WCO)

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CRISTIANE APARECIDA MARTINS
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • JOAO ANDRADE DE CARVALHO JUNIOR
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • LUIZ FERNANDO VALADAO FLORES
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • Data: 16/07/2021

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  • A crescente demanda mundial pela geração de energia utilizando fontes renováveis é necessária para a longevidade da civilização moderna. Com as perspectivas da mitigação dos impactos ambientais decorrentes dos combustíveis, demanda-se da comunidade científica soluções tecnológicas que promovam a maximização da eficiência de conversão de combustível e a redução dos níveis de emissões de poluentes em motores de combustão interna. Dentre os biocombustíveis, o uso da biomassa e de resíduos como fontes de energia são opções interessantes, por serem recursos em abundância e com ciclo de emissões de CO2 aproximadamente neutro. Neste contexto, o presente trabalho visou desenvolver uma bancada experimental para estudar a combustão, o desempenho e as emissões de poluentes de um motor monocilíndrico de ignição por compressão, utilizando diesel renovável da cana-de-açúcar (Farnesano) e biodiesel de óleo residual de cozinha (WCO). A metodologia adotada consistiu no desenvolvimento da bancada de teste com toda instrumentação, preparação e caracterização dos biocombustíveis, métodos de análise dos dados e cálculo das incertezas de medição, planejamento de ensaios voltado para aplicação de moto-geradores em pequena escala, e análise dos parâmetros de interesse. Os testes foram divididos em duas etapas: testes utilizando o Farnesano em comparação ao Diesel convencional e testes utilizando o Farnesano com o biodiesel de WCO. Adicionalmente, a tecnologia de recirculação dos gases de escapamento (EGR) externa e resfriada foi aplicada e sua influência foi analisada. Os resultados obtidos com o Farnesano apresentaram menores valores de atraso de ignição, de pico da taxa de liberação de calor e da duração da fase difusiva da combustão, com ganhos de eficiência de conversão de combustível de até 5,9% em relação ao Diesel. Além disso, reduções dos níveis específicos de emissões de NOx, HC, CO e material particulado (MP) foram atingidas. A aplicação da EGR com o Farnesano, principalmente pelos efeitos térmicos e de diluição, melhorou a relação de compromisso entre as emissões de NOx e MP, com reduções de até 48,6% e 75% em comparação com o Diesel fóssil, respectivamente. Os resultados da adição em 10% e 20% em volume do biodiesel de WCO ao Farnesano mostraram potencial técnico de operação e redução das emissões em comparação com o Diesel convencional, favorecendo a cadeia produtiva e de distribuição já consolidada do biodiesel e a tendência nacional de utilizar o diesel renovável misturado a um biodiesel derivado de resíduo.


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  • The growing global demand for power generation using renewable energy sources is fundamental for the longevity of modern civilization. With the prospects for mitigating the environmental impacts arising from fuels, technological solutions are needed from the scientific community to promote the maximization of fuel conversion efficiency and the reduction of pollutant emission levels in internal combustion engines. Concerning biofuels, the use of biomass and wastes as sources of energy are interesting options, as they are abundant resources and present an approximately neutral CO2 emission cycle. In this context, this work aimed to develop an experimental setup to study the combustion, performance and pollutant emissions of a single-cylinder compression ignition engine, using renewable diesel from sugarcane (Farnesane) and waste cooking oil (WCO) biodiesel. The methodology consisted of the development of the test bench with all instrumentation, preparation and characterization of biofuels, methods of data analysis and measurement uncertainties calculation, and analysis of parameters of interest. Moreover, the testing procedure aimed at the application of small scale motor-generators. Experiments were divided into two stages: tests using Farnesane compared to conventional Diesel and tests using Farnesane with WCO biodiesel. Additionally, external and cooled exhaust gas recirculation (EGR) was applied and its influence analyzed. The results obtained with Farnesane presented lower values of ignition delay, peak heat release rate and diffusive combustion duration, with fuel conversion efficiency gains of up to 5.9% compared to Diesel. Furthermore, reduced levels of NOx, HC, CO and particulate matter (PM) emissions were achieved. Farnesan with EGR application, mainly through the dilution and thermal effects, improved the NOx-PM trade-off, as Farnesane further reduced the NOx emissions level up to 48.6% and presented PM values around 75% lower than conventional diesel combustion. The results of the 10% and 20% by volume addition of WCO biodiesel to Farnesane showed technical potential for operation and emission reduction compared to conventional diesel, favoring the already consolidated production and distribution chain of biodiesel and the national tendency to use the renewable diesel blended with waste-derived biodiesel.

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  • LIDIANE LA PICIRELLI DE SOUZA
  • Análise do ciclo de vida consequencial da maximização das fontes renováveis em cenários futuros da matriz elétrica no Brasil

  • Orientador : ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DIEGO MAURICIO YEPES MAYA
  • ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • FLAVIO DIAS MAYER
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MARCELO RISSO ERRERA
  • QUELBIS ROMAN QUINTERO
  • REGINA MAMBELI BARROS
  • Data: 10/08/2021

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  • A descarbonização da matriz elétrica é um componente chave das estratégias de mitigações dos impactos ambientais que visam a redução dos níveis de concentração de dióxido de carbono na atmosfera. A redução do uso de fontes fósseis para maximização de fontes renováveis é uma medida adequada para gerenciar a redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE) decorrentes do processo de geração de energia, além de promover o desenvolvimento socioeconômico das regiões onde esta estratégia é aplicada. O estudo tem como objetivo avaliar as mudanças de longo prazo no desempenho ambiental e econômico da matriz elétrica do Brasil, com base no plano de do EPE/MME. Para atingir esse objetivo, foram definidos cenários prospectivos: o cenário de referência está baseado no plano de expansão de energia do governo para o horizonte 2030-2050, e a partir deste foram elaborados outros três. Para estes foi considerado que não haveria crescimento das fontes de energia fósseis no futuro, e a participação destas seria constante, de acordo com os valores de geração do ano de 2019. Deste modo, no segundo cenário considerou-se que o possível crescimento no consumo de combustível fóssil seria substituído pela penetração máxima de biomassa no plano de governo 2030-2050, assim como no terceiro cenário, considerou-se que esta substituição fosse feita pela penetração máxima da fonte eólica. Finalmente, no quarto cenário, considerou-se a penetração máxima da fonte fotovoltaica (FV). O aumento da fonte fóssil só aconteceria caso a quantidade da penetração máxima de energia renovável não fosse suficiente para a suprir o incremento de energia futuro. A fim de analisar o desempenho ambiental dos cenários analisados, foi utilizada a metodologia da Análise do Ciclo de Vida (ACV) e para o desempenho econômico, o custo nivelado de energia (LCOE). Os resultados apontam que o melhor desempenho para o Potencial de Aquecimento Global (GWP) foi para o cenário de maximização da fonte eólica, com o valor médio de 0,121 kgCO2/kWh e o pior desempenho para o cenário de expansão de energia do governo, com o valor médio de 0,167 kgCO2/kWh. O menor custo nivelado médio de eletricidade foi para o cenário de expansão eólica, com 0,0438 USD/kWh e o maior custo nivelado de eletricidade foi para o cenário de expansão de biomassa, com 0,0476 USD/kWh. Os resultados deste estudo podem apoiar a formulação de políticas para o planejamento futuro da bioenergia brasileira.


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  • Decarbonization of the electrical matrix is a key component of mitigation strategies for environmental impacts aimed at reducing levels of carbon dioxide concentration in the atmosphere. The energy transition from fossil sources to renewable sources is an adequate measure to manage the reduction of emissions resulting from the energy generation process, while promoting the socioeconomic development of the regions where this strategy is applied. The present study aims to assess the long-term changes in the environmental and economic performance of Brazil's electricity matrix, based on the government plan. In order to achieve this objective, prospective scenarios were defined: the reference scenario is based on the government's energy expansion plan for the 2030-2050 horizon, and three others were drawn up based on this. For these, it was considered that there would be no growth in fossil energy sources in the future, and their participation would be constant, according to the generation values for the year 2019. Thus, in the second scenario, it was considered that the possible growth of the fuel fossil would be replaced by the maximum penetration of biomass in the 2030-2050 government plan, as well as in the third scenario it was considered that this replacement was made by the maximum penetration of the wind source and finally, the fourth scenario was considered the maximum penetration of the source photovoltaic (PV). The increase in the fossil source would only happen if the amount of maximum renewable energy penetration was not sufficient to supply the future energy increment. In order to analyze the environmental performance of the analyzed scenarios, the Life Cycle Analysis methodology was used and for economic performance, the leveled cost of energy (LCOE). The results show that the best performance for the Global Warming Potential (GWP) was for the scenario of maximizing the wind source, with an average value of 0.121 kgCO2/kWh and the worst performance for the scenario of government energy expansion, with the average value of 0.167 kgCO2/kWh. The lowest average leveled cost of electricity was for the wind expansion scenario, with 0.0438 USD/kWh and the highest leveled cost of electricity was for the biomass expansion scenario, with 0.0476 USD/kWh. The results of this study can support the formulation of policies for the future planning of Brazilian bioenergy.

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  • TATIANE CAETANO SILVA
  • Estudo da implantação de uma miniusina solar fotovoltaica na UNIFEI: aspectos técnicos, econômicos e exergéticos

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • AGNELO MAROTTA CASSULA
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • EDUARDO CRESTANA GUARDIA
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • JOSE LUZ SILVEIRA
  • VICTOR EDUARDO DE MELLO VALERIO
  • Data: 13/08/2021

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  • Este trabalho apresenta análises técnica, econômica, de risco e de sensibilidade da instalação de uma miniusina fotovoltaico na Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI. Sendo considerados três cenários técnicos. O Cenário I – dimensionamento do sistema de acordo com potência já instalada, Cenário II – dimensionamento limitado a demanda contratada, Cenário III – dimensionamento do sistema para atender o consumo total de energia no campus e três cenários econômicos (Pessimista, Mais provável e Otimista). Além disso realiza-se análise exergética e de sensibilidade de um micro gerador fotovoltaico de 1.252Wp. A análise técnica apresentou a contribuição energética do sistema FV de acordo com três cenário analisados sendo os Cenários I, II e III capaz de proporcionar uma redução anual no consumo de energia de 38,5%, 57,26% e 81,16%, respectivamente. Para a análise econômica foram usados os indicadores: VPL, TIR, e o Custo Nivelado de Energia (LCOE), como instrumentos à tomada de decisão; além disso, foi realizada a análise de sensibilidade e análise de risco de investimento utilizando a simulação de Monte Carlo, com auxílio do software Crystal Ball. A análise econômica indica a viabilidade do projeto, nos cenários Mais provável e Otimista, análise de sensibilidade apresenta a TMA como a variável que mais afeta a viabilidade do projeto. A análise de risco do investimento apresenta uma grande viabilidade econômica, superior a 94% para todos os cenários. A comparação entre os índices de desempenho de um sistema FV real em comparação ao simulado com auxílio do software PVSyst, apresentou diferença de 0,052% entre o desempenho global (PR) do sistema real e o simulado no PVSyst, em relação aos valores anuais. Da análise de eficiência exergética o sistema FV é possível observar o efeito do sombreamento na eficiência exergética do sistema. Do diagrama de Grassmann constata-se que a maioria das irreversibilidades que causam a exergia destruída ocorre nos módulos fotovoltaicos. Sendo a exergia destruída na conversão da energia solar, responsável por 70% da exergia de entrada. A análise de sensibilidade exergética apresentou a velocidade do vento como a variável de maior impacto na eficiência exergética, independente da estação do ano analisada.


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  • This thesis presents technical, economic, risk, and sensitivity analysis for a micro photovoltaic power plant installed at the UNIFEI campus. For technical analysis it was modeled three different scenarios: Scenario I, the system modeled in accords with the capacity installed; Scenario II, the system modeled by the limits of contracted demand; Scenario III, the system modeled to meet total consumption on campus; along with three economic scenarios: pessimistic, more likely, and optimistic. Besides, a real micro photovoltaic generator of 1252 Wp was addressed using exergy and sensitivity analysis. The technical analysis presented the energetic contribution of the PV system in the three scenarios evaluated Scenarios I, II, and III showed the possibility to reduce yearly 38.5%, 57.26%, and 81.16%, respectively, of the consumption of electricity. For the economic evaluation, VPL, IRR, and LCOE were performance indicators and tools for decision-making support. In addition, sensitivity and risk analysis were carried by Monte Carlo simulation through Crystal Ball software. The economic output pointed to the project’s viability under more likely and optimistic scenarios. The sensitivity analysis pointed to minimum acceptable rate return (MARR) as the variable that causes more effect on the project’s economic viability. The risk analysis indicated viability for more than 94% of the cases considering all three technical scenarios. The comparison between PVSyst simulations and the real PV system presents differences of only 0.05% on performance ratio (PR). From the exergetic point of view, the efficiency is affected clearly by the near shadings, the Grassmann diagram indicated that the larger share of exergy destruction comes from the solar energy conversion, which is addressed with destruction rates of 70% of the system input. The sensitivity analysis from exergy evaluation indicated that the wind velocity is the variable that causes a higher impact of efficiency, regardless of the season.

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  • THIAGO LUIZ LARA OLIVEIRA
  • ANÁLISE DO FRESAMENTO DE MATERIAIS COMPOSITOS POR MÉTODOS NÃO DESTRUTIVOS

  • Orientador : ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • REDOUANE ZITOUNE
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • FELIPE DE SOUZA ELOY
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • LUIZ CLAUDIO PARDINI
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 16/08/2021

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  • Na indústria aeroespacial, polímeros reforçados com fibra de carbono oferecem diversas vantagens, como uma melhor relação entre resistência por peso ou mesmo resistência a corrosão. A análise de sinais obtidos pela emissão acústica tem sido bem sucedida para avaliar ensaios mecânicos e também para determinar defeitos no material. Esse trabalho é focado no processo de usinagem por fresamento de materiais compósitos de resina epóxi e fibra de carbono, em termos de avaliação da qualidade superficial e com compreensão da fenomenologia do processo por ensaios não destrutivos, principalmente emissão acústica e análise de temperatura por infravermelho. Durante o processo de usinagem, o monitoramento do processo com vistas à detecção e predição da qualidade superficial e ocorrência de defeitos é industrialmente útil, podendo aumentar a automatização dos sistema de fabricação, incrementar a produtividade e prover maior controle de qualidade. O objetivo deste estudo foi de mostrar que é possível implementar um sistema de monitoramento em tempo real do processo de corte, com o entendimento dos mecanismos e variáveis de influência. As comparações dos diferentes parâmetros empregados durante o fresamento e seus efeitos nos sinais obtidos pela técnica de emissão acústica e variações de temperatura, permitiram relacionar esses métodos com a qualidade superficial. Os resultados indicam que os ensaios não destrutivos podem servir de indicativo para o estado de qualidade superficial das placas de fibra de carbono-epóxi, também são sensíveis às alterações dos parâmetros de usinagem. Além disso, a análise por emissão acústica obteve melhor desempenho do que a análise por termografia infravermelho no monitoramento do fresamento desses materiais.


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  • In aerospace industry, composite materials offer several advantages, such as high weight-to-strength ratio and corrosion resistance. Aerospace materials are costly and have high safety standards, frequently using non-destructive testing in order to evaluate the material without incurring in further damage. Acoustic emission is a non-destructive testing method, which allows the signal processing to evaluate material performance during mechanical tests for determining material defects, for example. This study focused in the machining process of composite plates, in terms of surface finishing evaluation with comprehension of process phenomenology using non-destructive testing. Manufacturing processes are complex, especially the machining of composite materials, due to their specific properties and characteristics. The detection and prediction of surface finishing and occurrence of defects during manufacturing using non-destructive techniques is industrially useful, in terms of increasing automated manufacturing systems to increase productivity and quality control. The aim of this study is to show the possibility of online monitoring of the cutting process and to understand mechanism behind variables of control, with comparisons of different milling parameters and focusing in their impacts in acoustic emission signals, infrared thermography and surface finishing. The results indicates the relationship between cutting process and acoustic emission signals, with a key differentiation of other studies because it shows the not only the capability of detecting anomalies during cutting process and to predict surface quality by acoustic emission signal analysis, but also that is possible to develop new methods of monitoring in real time machined surface of composite parts quality using acoustic emission signals.

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  • EUDES MÜLLER D'OLIVEIRA SANTOS
  • Otimização multiobjetivo de uma usina termelétrica de ciclo combinado nas condições de projeto e fora de projeto

  • Orientador : MARCO ANTONIO ROSA DO NASCIMENTO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MARCO ANTONIO ROSA DO NASCIMENTO
  • LOURIVAL JORGE MENDES NETO
  • LUCILENE DE OLIVEIRA RODRIGUES CHAVES
  • CELSO EDUARDO TUNA
  • JOSE ANTONIO PERRELLA BALESTIERI
  • SANDRO BARROS FERREIRA
  • Data: 10/12/2021

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  • Há uma busca constante pela maior disponibilidade de recursos energéticos, uma vez que a
    energia é um item vital para o desenvolvimento de um país. Projeções para a demanda de eletricidade até 2030 sinalizam para seu aumento, no qual 20% do total da geração de
    eletricidade será proveniente de usinas termelétricas de ciclo combinado a gás natural,
    considerada uma das tecnologias mais desenvolvidas para produção de eletricidade. Dada a relevância do combustível gás natural e das usinas termelétricas de ciclo combinado na matriz elétrica e energética, é importante o uso dos recursos disponíveis da forma mais eficiente. Nesta tese foram analisadas três técnicas de otimização (algoritmo genético, enxame de partícula e recozimento simulado) aplicadas a uma usina termelétrica de ciclo combinado em regime permanente, nas condições de projeto e fora de projeto, para realização de uma otimização multiobjetivo. O método proposto foi aplicado previamente no sistema de cogeração CGAM para validação e posteriormente aplicado na usina termelétrica de ciclo combinado. Análises termodinâmica, exergética tradicional e avançada, e econômica foram empregadas. O programa GateCycleTM em conjunto com a ferramenta CycleLink foram utilizados para simulação do modelo do sistema energético na condição de projeto e nas cargas parciais de 90%, 80%, 70%, 60%, 50% e 40%. As funções objetivo minimizadas foram o custo de eletricidade e a taxa de destruição de exergia inevitável total. As variáveis de decisão foram razão de pressão do compressor de ar, eficiência isentrópica do compressor de ar, eficiência isentrópica da turbina a gás, temperatura dos gases de exaustão na entrada da turbina a gás, vazão mássica de
    combustível para o queimador suplementar, eficiência isentrópica da turbina a vapor e
    eficiência isentrópica da bomba. O programa modeFRONTIERTM foi utilizado para aplicação das três técnicas de otimização a fim de avaliar as funções objetivo. Os dois sistemas energéticos foram otimizados com cada uma das técnicas de otimização em todas as condições analisadas. Não houve uma técnica unânime no desempenho em todas as condições. Na condição de projeto a UTE de ciclo combinado apresentou custo de eletricidade 11,11% menor e exergia destruída inevitável 23,48% menor, ao aplicar a técnica de enxame de partícula na busca pelos melhores valores das variáveis de decisão, sendo o algoritmo de melhor desempenho nesta condição específica. Em todas as demais condições uma solução ótima também foi obtida.


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  • There is a constant search for greater availability of energy resources since energy is a vital
    item for the development of a country. Projections for electricity demand until 2030 point to an increase, in which 20% of the total electricity generation will come from combined cycle power plants with natural gas, considered one of the most developed technologies for electricity production. Given the relevance of natural gas fuel and combined cycle power plants in the electrical and energy matrix, it is important to use available resources in the most efficient way. In this Thesis, three optimization techniques were analyzed (genetic algorithm, particle swarm and simulated annealing) applied to a combined cycle power plant in steady state, under design and off-design conditions, to perform a multi-objective optimization. The proposed method was previously applied in the CGAM cogeneration system for validation and later applied in the combined cycle power plant. Thermodynamic, traditional and advanced exergetic, and economic analyzes were employed. The GateCycleTM software together with the CycleLink tool were used to simulate the energy system model in design and in the partial loads of 90%, 80%, 70%, 60%, 50% and 40%. The minimized objective functions were the electricity cost and the total unavoidable exergy destruction rate. The decision variables were air compressor pressure ratio, isentropic air compressor efficiency, isentropic gas turbine efficiency, exhaust gas temperature at the inlet of the gas turbine, mass flow of fuel to the duct burner, isentropic efficiency of the steam turbine and isentropic pump efficiency. The modeFRONTIERTM software was used to apply the three optimization techniques in order to evaluate the objective functions. The two energy systems were optimized with each of the optimization techniques in all analyzed conditions. There was no unanimous technique in performance under all conditions. In the design condition, the combined cycle power plant presented an electricity cost 11.11% lower and an inevitable destroyed exergy 23.48% lower, when applying the particle swarm technique in the search for the best values of the decision variables, being the algorithm of better performance in this specific condition. In all other conditions an optimal solution was also obtained.

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  • PAULO GUIMARÃES DE MORAES
  • Estudo de Efeitos de Rugosidade Superficial sobre Escoamentos ao Redor de Dois Corpos Rombudos Idênticos e Alinhados In Tandem Utilizando o Método de Vórtices Discretos

  • Orientador : LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEX MENDONÇA BIMBATO
  • LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • WILLIAM ROBERTO WOLF
  • Data: 10/12/2021

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  • Este trabalho investiga numericamente o efeito de novos padrões de interferência sobre escoamentos com números de Reynolds no regime subcrítico, os quais se desenvolvem ao redor de dois cilindros circulares in tandem. Os novos padrões de interferência estão atrelados à inclusão de efeitos de rugosidade e, consequentemente, as interações esteira-corpo e esteira-esteira impõem nova dinâmica de vorticidade para o problema. Em geral, os resultados numéricos indicam as potencialidades da abordagem numérica para capturar redução de força de arrasto associada com aumento da pressão de base, intermitência na geração de estruturas vorticosas e destruição de esteira, para certos padrões de interferência. A literatura é escassa de resultados de escoamentos ao redor de arranjos de cilindros com interferência de rugosidade, o que motivou este estudo. A análise dos principais resultados numéricos permite tirar conclusões importantes e, principalmente, propicia a evolução da ciência. Duas contribuições deste trabalho podem ser destacadas: (i) implementação de um algoritmo para a inclusão de efeitos de interferência de rugosidade, a partir de um método de vórtices puramente Lagrangeano com modelagem de turbulência do tipo LES implementado em um código caseiro; e (ii) aplicação de processamento paralelo usando OpenMP com Fortran para todos os casos de testes. Os resultados numéricos ratificam que o modelo de rugosidade é mais sensível para capturar fenômenos físicos do que somente a modelagem bidimensional de turbulência. No passado, a modelagem de turbulência propiciou o desenvolvimento do atual modelo de rugosidade, que, em essência, distribui pontos ao redor de um corpo para combinar geração de vórtices discretos e mudança instantânea do campo de vorticidades no interior da camada limite por injeção de quantidade de movimento.


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  • This work numerically investigates new interference patterns on flows around two circular cylinders aligned in tandem at subcritical Reynolds number regime. The origin of these interference patterns is hitched to surface roughness effects; consequently, the interactions viscous wake-body and viscous wake-viscous wake establish new vorticity dynamics for the problem. Overall, the numerical results reveal the potentialities of the present numerical approach to capture drag reduction accompanied of base pressure increasing, intermittence of vortex shedding and wake destruction under certain interference patterns. There is a lack of data published in the literature discussing roughness interference on flows around cylindrical structures in cross flow, which motived the present study. The analysis of the main numerical results enables important conclusions and, mainly, contributes to science evolution. Two contributions of this work can be highlighted: (i) implementation of an in-house vortex code to include surface roughness effects from a two-dimensional Lagrangian vortex method with LES type turbulence modeling, and (ii) implementation and parallel programming of the vortex code using OpenMP with Fortran. The numerical results confirm that the present model of surface roughness effects is much more sensitive than a simple two dimensional turbulence modeling. However, the turbulence modeling provided earlier the development of the model of surface roughness effects utilized in the present study. The latter utilizes points set near every solid boundary combining the generation of vortex elements and instantaneous change in the vorticity field into the boundary layer by introducing momentum because of roughness protruding out of the surface.

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  • LEANDRO ALEXANDRE RIBEIRO TAETS
  • ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO CONJUNTA DO GÁS NATURAL E DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS PARA A GERAÇÃO DE ELETRICIDADE

  • Orientador : ROGERIO JOSE DA SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLOS BARREIRA MARTINEZ
  • EDSON DA COSTA BORTONI
  • EDUARDO JOSÉ CIDADE CAVALCANTI
  • IVONETE AVILA
  • ROGERIO JOSE DA SILVA
  • Data: 16/12/2021

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  • O uso das energias renováveis na geração de eletricidade, especialmente eólica e solar, tem crescido em todo o mundo, aproveitando-se de reduções nos custos dos equipamentos e de políticas de incentivo de substituição de combustíveis fósseis. Contudo, uma das principais características da geração eólica e solar é a intermitência, o que exige sistemas de geração de eletricidade cada vez mais flexíveis. No Brasil, as energias renováveis também têm apresentado crescimento significativo com aumento na geração eólica e solar. Uma parte dos novos empreendimentos hidrelétricos, que entraram em operação nos últimos anos, têm como característica a operação fio d´água. Com reservatórios menores a produção de eletricidade nestas usinas, nos períodos de seca, cai substancialmente, sendo necessário complementar esta produção. Este trabalho analisa o uso do gás natural, com o intuito de apresentá-lo como um combustível viável dentro do cenário de alteração da matriz de geração de eletricidade, seja com o uso das energias renováveis, ao redor do mundo, ou ainda com a expansão das hidrelétricas fio d´água no Brasil. A análise apresenta diversas forças e oportunidades para o gás natural, como por exemplo, tecnologias que permitem geração de eletricidade com eficiências superiores a 60 %, em plantas de ciclo combinado, e redução de emissões de CO2 da ordem de 60 %, na comparação com plantas USC operando com dois tipos de carvões bastante utilizados no Brasil. Além disso, a combustão de gás natural é praticamente isenta de emissões de SO2. A análise também aponta que o custo de investimento de uma central termelétrica a gás natural é cerca de 50 % menor, enquanto que o custo de O&M é 40 % menor na comparação com uma central USC. Mas nem todos os fatores são positivos, existem fraquezas e ameaças que podem dificultar o uso do gás natural na geração de eletricidade. Mesmo o gás natural possuindo melhores características ambientais, frente aos demais combustíveis fósseis, políticas de incentivo ao uso de energias renováveis e substituição dos combustíveis fósseis podem limitar o uso do gás natural. Além disso, o desenvolvimento de tecnologias de armazenamento de energia pode mitigar os impactos da intermitência das energias renováveis. A partir de todos os fatores apresentados pela análise, é possível afirmar que o gás natural, apesar de ser um combustível de origem fóssil, tem, e continuará tendo pelos próximos anos, um papel fundamental para garantir a estabilidade do fornecimento de energia elétrica no cenário de expansão das energias eólica e solar. Especificamente no caso brasileiro, a operação complementar, durante o período de seca, com as hidrelétricas fio d´água é fundamental para garantir o suprimento de eletricidade para o país.


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  • The use of renewables in electricity generation, especially wind and solar, has grown worldwide, taking advantage of reductions in equipment costs and policies to encourage substitution of fossil fuels. However, one of the main characteristics of wind and solar generation is intermittency, which requires increasingly flexible electricity generation systems. In Brazil, renewables have also shown significant growth with an increase in wind and solar generation. Some of the new hydroelectric projects, which have come into operation in recent years, feature run-of-river operation. With smaller reservoirs, the production of electricity in these plants, in periods of drought, drops substantially, making it necessary to complement this production. This work analyzes the use of natural gas, in order to present it as a viable fuel within the scenario of changing the electricity generation matrix, either with the use of renewable energies, around the world, or with the expansion of run-of-river hydroelectric plants in Brazil. The analysis presents several strengths and opportunities for natural gas, such as, for example, technologies that allow electricity generation with efficiencies greater than 60%, in combined cycle plants, and reduction of CO2 emissions in the order of 60%, compared to USC plants operating with two types of coal widely used in Brazil. Furthermore, the combustion of natural gas is practically free from SO2 emissions. The analysis also points out that the investment cost of a natural gas thermoelectric plant is about 50% lower, while the O&M cost is 40% lower compared to a USC plant. However, some factors are negative, there are weaknesses and threats that can make it difficult to use natural gas to generate electricity. Even natural gas has better environmental characteristics, compared to other fossil fuels, policies to encourage the use of renewable energy and replacement of fossil fuels can limit the use of natural gas. Furthermore, the development of energy storage technologies can mitigate the impacts of renewable energies intermittence. From all the factors presented by the analysis, it is possible to affirm that natural gas, despite being a fossil fuel, has, and will continue to play for the next years, a fundamental role in guaranteeing the stability of the electricity supply in the scenario expansion of wind and solar energy. Specifically in the Brazilian case, the complementary operation, during the dry season, with run-of-river hydroelectric plants is essential to guarantee the electricity supply to the country.

2020
Dissertações
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  • MATHEUS BRENDON FRANCISCO
  • Otimização de Um Tubo Para Prótese de Membro Inferior de Estruturas de Travessas Rígidas.

  • Orientador : GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • BRUNO SILVA DE SOUSA
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • RICARDO MELLO DI BENEDETTO
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 14/02/2020

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  • Os tubos protéticos geralmente são estruturas tubulares sem juntas ou partes móveis. Em amputações
    de membros inferiores substitui o papel dos ossos tíbia e fíbula como estrutura de suporte e transferência de carga durante a caminhada ou corrida. Comumente, os tubos protéticos são fabricados utilizando materiais metálicos como aços inox, alumínio e titânio. A massa destes tubos geralmente é elevada em comparação com os tubos fabricados em compósito de matriz polimérica reforçado com fibra de carbono. Sendo assim, este trabalho tem como principal objetivo otimizar um novo conceito de tubo, fabricado em material compósito, que faz uso de estrutura de travessas rígidas e camada interna de suporte estrutural. Para o desenvolvimento do trabalho, foi utilizado uma técnica de Superfície de Resposta (RSM), sendo esta,
    utilizada para definir quais dados, em que quantidade e em que condições devem ser coletados durante um determinado experimento, buscando, basicamente, satisfazer dois grandes objetivos: a maior precisão estatística possível na resposta e o menor custo. Após a análise inicial da RSM, foi utilizado o método de elementos finitos para os cálculos estruturais e validação do tubo para cada condição do experimento gerado pela RSM, sendo que para validar o tubo são necessárias análises de compressão e torção. Com os resultados obtidos, foi possível encontrar equações que regem o problema. Porteriormente, obtendo as equações do meta-modelo, foi possível otimizar os parâmetros das equações que traduzem as respostas estruturais do tubo de travessas rígidas por meio do algoritmo de enxame de partículas (PSO) e do algoritmo genético (GA). Estas configurações ótimas foram analisadas computacionalmente e verificadas que são viáveis para utilização. Partindo de um modelo existente e otimizando a configuração para o melhor coeficiente de Tsai-Wu, quando a estrutura está submetida a compressão, conseguiu-se diminuí-lo aproximadamente 83%. Já otimizando a massa, foi possível diminuí-la em 14% e ter um coeficiente de Tsai-Wu 22% menor. Na otimização multi-objetivo, reduziu-se o Tsai-Wu de compressão em 63%. Sendo assim, o objetivo de se obter uma configuração ótima para um novo conceito de tubo para próteses de membros inferiores foi alcançado.


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  • Prosthetic tubes are generally tubular structures without joints or moving parts. In lower limb amputations replaces the tibia and fibula bones as support structure and load transfer during walking or running. Commonly, prosthetic tubes are manufactured using metal materials such as stainless steel, aluminum and titanium. The mass of these tubes is generally high compared to tubes made of carbon fiber reinforced polymer matrix composite. Therefore, the main objective of this work is to optimize a new tube concept, made of composite material, which makes use of lattice structure and internal layer. For the development of the work, a Response Surface Methodology (RSM) technique was used to define in what quantity, under what conditions and which data should be collected during a given experiment, seeking to satisfy two objectives: the highest possible statistical precision in the response and the lowest cost. After the initial RSM
    analysis, finite element method was used for the structural calculations and tube validation for each condition of the experiment generated by RSM. With the results obtained, it was possible to find equations that governs the problem. Later, by obtaining as meta-model equations, it was possible to optimize the parameters of the equations that were translated as responses applied to a lattice structure tube by the particle swarm algorithm (PSO) and genetic algorithm (GA). These optimal configurations have been computationally analyzed and found to be viable for use. By optimizing the Tsai Wu coefficient, when the structure is subjected to compression, it was able to decrease it approximately 83 %. Optimizing the mass, it was possible to decrease it by 14 % and have a lower Tsai Wu coefficient 22 %. In multi-objective optimization, the compression Tsai Wu was reduced by 63 %. Therefore, the objective of obtaining an optimal configuration for a new concept of tube for prosthesis of lower limbs was reached.

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  • JOÃO LUIZ JUNHO PEREIRA
  • Desenvolvimento e Aplicação do Algoritmo de Espectros de Lichtenberg em Otimização de Sistemas Mecânicos

  • Orientador : GUILHERME FERREIRA GOMES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • TAYNARA INCERTI DE PAULA
  • YOHAN ALI DIAZ MENDEZ
  • Data: 14/02/2020

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  • A Otimização é uma ferramenta imprescindível para minimizar ou maximizar funções, obtendo resultados ótimos sobre custos, massa, energia, ganhos, entre outros. Problemas reais podem ser multimodais, não lineares e descontínuos e podem não ser minimizados por métodos analíticos clássicos que dependem de gradiente. Neste contexto, existem algoritmos metaheurísticos inspirados em fenômenos da natureza para otimização de problemas reais. Não existe algorimo melhor ou pior, mas mais eficiente para determinado tipo de problema. Assim, um inédito algoritmo metaheurístico foi criado neste trabalho inspirado no fenômeno físico de relâmpagos intra-nuvem radiais e Figuras de Lichetenberg, explorando com sucesso o poder dos fractais e é diferente de muitos da literatura por ser um algoritmo híbrido composto por métodos de busca baseados em população e trajetória. O Algoritmo de Lichtenberg (LA) desenolvido foi testado por funções de teste, onde foi validado com sucesso. Foi aplicado no problema-projeto da viga soldada, onde encontrou resultados com excelentes valores de função objetivo ao comparar aos da literatura. Finalmente e sendo o maior fim, o LA foi acoplado ao Método de Elementos Finitos (MEF) para identificação de danos do tipo delaminação e foi comparado com outros algoritmos como o Algoritmo Genético (AG) e o SunFlower Optimization (SFO), tendo excelentes resultados. O LA se mostrou como ferramenta poderosa na identificação de danos, pois não errou a identificação do dano mesmo em situações muito ruidosas (10% de ruído) e com baixa severidade do dano (10% de redução de rigidez somente).


  • Mostrar Abstract
  • Optimization is an essential tool to minimize or maximize functions, obtaining optimal results on costs, mass, energy, gains, among others. Actual problems may be multimodal, nonlinear, and discontinuous and may not be minimized by classical analytical methods that depend on the gradient. In this context there are metaheuristics algorithms inspired by natural phenomena to optimize real problems. There is no better or worse algorithm, but more efficient for a given type of problem. Thus, an unprecedented metaheuristic algorithm was created in this work inspired by the physical phenomenon of radial intra-cloud lightning and Lichetenberg Figures, successfully exploiting the fractal power and it is different from many in the literature as it is a hybrid algorithm composed of methods of search based on population and trajectory. The Lichtenberg Algorithm (LA) developed was tested in test functions, where it was successfully validated it. Was applied to the design problem of the welded beam, where it found results with excellent objective function values when compared to those in the literature. Finally and being the ultimate goal, LA was coupled with the Finite Element Method (FEM) for delamination damage identification and was compared with other algorithms such as Genetic Algorithm (GA) and SunFlower Optimization (SFO), yielding excellent results. LA has proven to be a powerful damage identification tool because it has not misplaced damage even in very noisy (10% noise) and low damage severity (10% stiffness reduction only) situations.

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  • NICOLAS PINHEIRO RAMOS
  • Estimação Simultâneade Propriedades Térmicas de Metais Considerandoo Efeito da Resistência de Contato

  • Orientador : SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • LUIS FELIPE DOS SANTOS CAROLLO
  • MARCELO JOSE PIRANI
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • SAULO GÜTHS
  • Data: 17/02/2020

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  • Neste trabalho tem-se o objetivo de apresentar um método de estimação simultânea da condutividade térmica, k, e do calor específico, cp, de amostras de Carboneto de Tungstênio e de Aço Inoxidável AISI 304, considerando a resistência de contato existente entre o aquecedor resistivo e a amostra metálica. Foi utilizado um modelo térmico baseado na equação da difusão de calor unidimensional transiente considerando propriedades térmicas constantes. As propriedades térmicas são determinadas de forma simultânea utilizando os dados de um mesmo experimento. A amostra metálica é colocada entre um aquecedor resistivo e um isolante térmico. Para garantir a unidimensionalidade do experimento, a amostra possui espessura com uma razão de 1:5 quando comparada às outras dimensões e o experimento tem um curto período de realização. Um fluxo de calor constante é imposto na superfície superior da amostra e uma condição de isolamento térmico é mantida na superfície oposta, onde a temperatura é medida por um termopar tipo T. A resistência de contato é calculada e considerada como um fator redutor do fluxo de calor aplicado. Ao invés de se considerar um modelo agrupado (lumped model), uma configuração microscópica das regiões de contato foi usada para descrever a rugosidade da superfície e o interstício de fluido. A rugosidade da superfície é caracterizada pelas altura e inclinações médias. Para isso, as rugosidades da superfície do aquecedor resistivo e da amostra metálica foram medidas por um rugosímetro digital. A condutância de constrição foi calculada através da correlação de Cooper-Mikic-Yovanovich (CMY), válida para superfícies rugosas isotrópicas. A correlação CMY relaciona a condutância de constrição com a rugosidade e a carga de pressão na interface de contato. A condutância intersticial é calculada assumindo que o fluido nos interstícios é o ar; foram consideradas a condutividade térmica do ar, a espessura média da separação e o parâmetro do ar. De maneira a assegurar a estimação simultânea e confiável de ambas as propriedades, foi realizada a análise dos coeficientes de sensibilidade, definidos pela primeira derivada parcial da temperatura em relação ao parâmetro analisado, multiplicado pelo parâmetro analisado. Por meio dessa análise, definiu-se as intensidades de fluxo de calor, tempo de duração dos experimentos, intervalo de tempo na aquisição de dados, entre outras características do experimento. A estimativa das propriedades térmicas ocorreu pela minimização de uma função objetivo definida pela diferença ao quadrado da temperatura experimental e numérica. Para essa minimização foi empregado o método de otimização BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno implementado em um código no software MATLAB. A temperatura numérica foi obtida por meio do programa COMSOL, que resolveu o problema transiente de condução de calor discretizando-o pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), cujas equações foram solucionadas por meio do método BDF (Backward Differentiation Formula), que se trata de uma técnica implícita para integração numérica. Os dois programas utilizados possuem uma interface de comunicação entre si, o que facilita os trabalhos de programação e a obtenção de resultados. De forma a validar os valores obtidos para as propriedades térmicas, estimou-se o fluxo de calor imposto utilizando, sendo utilizado o Método da Função Especificada (SFSM) clássico. Além disso, uma análise de incertezas foi realizada com o objetivo de garantir a qualidade dos resultados obtidos, onde os erros do termopar, do isolamento térmico, da aquisição de dados, do multímetro, do método de otimização BGFS, do método de integração BDF, do rugosímetro, entre outros, foram levados em consideração. Por fim, as propriedades estimadas tiveram baixos valores de desvio-padrão e os fluxos estimados tiveram ótimo comportamento e ficaram em torno de 95% dos fluxos experimentais

     

     

  • Mostrar Abstract
  • This work aims to present a method for the simultaneous estimation of thermal conductivity, k, and specific heat, cp, in samples of tungsten carbide and AISI 304 stainless steel, considering the imperfect thermal contact between the resistive heater and the metallic sample. A thermal model based on the transient one-dimensional heat diffusion equation with constant thermal properties was used. Both thermal properties are determined simultaneously using data from the same experiment. The metallic sample is placed between a resistive heater and a thermal insulator. To ensure the unidimensionality of the experiment, the sample is much thinner than its other dimensions and the experiment was performed very quickly. A constant heat flux is imposed on the upper surface of the sample and a thermal insulation condition is maintained on the opposite surface where the temperature is measured by a type T thermocouple. Thermal contact resistance is calculated and considered as a reducing factor on the heat flux. Instead of considering a lumped model, a microscopic configuration of the contact regions was used to describe both the surface roughness and the fluid gap. The microscopic surface roughness is characterized by the average height and the average slope. To obtain these data, the surface roughness for both the thin heater and the metallic sample were measured by using a roughness meter. The constriction conductance was computed through the Cooper-Mikic-Yovanovich (CMY) correlation, which is valid for isotropic rough surfaces. The CMY correlation relates the constriction conductance to the roughness and pressure load on the contact interface. The gap conductance is calculated assuming that the interfacial fluid is air; the thermal conductivity of the air, the average separation thickness and the air parameter were considered. In order to guarantee simultaneous and reliable estimation for both properties, an analysis of the sensitivity coefficients was performed. Sensitivity coefficients are defined by the first partial derivative of the temperature in relation to the parameter to be analyzed multiplied by the analyzed parameter values. Through this analysis, heat flux intensities, duration of experiments, time interval of the data acquisition, and other characteristics of the experiment were defined. The estimation of thermal properties occurred by minimizing an objective function defined by the square difference between the experimental and numerical temperatures. For this, the optimization method BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno) was implemented in a numerical code in MATLAB. The numerical temperature was obtained with COMSOL, which solved the transient heat conduction problem by discretizing it by the Finite Element Method (FEM), whose equations were solved by the Backward Differentiation Formula (BDF) method, which is an implicit technique for numerical integration. In order to ensure the quality of the parameter estimation and the experimental procedure, the heat flux is estimated. Thus, the classical Sequential Function Specification Method (SFSM) was employed. In addition, uncertainty analyses were performed to guarantee the quality of the results obtained. In these analyses, the errors of the thermocouple, data acquisition, multimeters, roughness meter, BFGS optimization method, BDF integration method and others were considered. Finally, the estimated properties had low standard deviation values and the estimated heat fluxes presented good behavior and were around 95% of the experimental heat fluxes.
     
     
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  • DAVID CARDOSO NETTO
  • OTIMIZAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA TIPO DARRIEUS-H ATRAVÉS DA INTEGRAÇÃO COM SUPERFÍCIES DE RESPOSTA PARA ANÁLISE DO COMPORTAMENTO AERODINÂMICO

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DANIEL SAMPAIO SOUZA
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • WALDIR DE OLIVEIRA
  • Data: 27/02/2020

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  • A busca por fontes de energias renováveis e com baixa emissão de gases de efeito estufa têm crescido nos últimos anos, sendo uma delas, a energia eólica. As turbinas eólicas de eixo vertical podem ser classificadas em turbinas movidas por sustentação e por arrasto, dentre as movidas por sustentação, destaca-se o rotor de Darrieus. Na grande maioria das vezes o projeto de uma turbina eólica é feito utilizando modelos computacionais, pois o investimento necessário para uma instalação de alta qualidade para experimentos é geralmente mais alto do que o necessário para se obter uma descrição suficientemente completa de um escoamento por meio de simulação numérica. Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo a otimização dos parâmetros geométricos, corda e espessura, de uma turbina eólica de eixo vertical do tipo Darrieus-H a fim de aumentar o coeficiente de potência tendo em vista um comportamento mais estável desse parâmetro em função da razão de velocidade de ponta de pá, TSR. O processo de otimização é feito utilizando-se o algoritmo genético NSGA-II e aproximação por superfície de resposta. As simulações numéricas são feitas em 2D e em escoamento incompressível no software ANSYS® Fluent, o processo de otimização, por meio do software modeFRONTIER®, e a aproximação por superfície de resposta, utilizando o software Minitab®. São otimizadas configurações de turbinas com 2, 3 e 4 pás com o objetivo de encontrar aquela com melhor comportamento de coeficiente de potência em relação à velocidade de ponta de pá. Os resultados obtidos são comparados com dados experimentais da literatura e um ganho médio de coeficiente de potência de 42% é atingido para a configuração com 3 pás com um comportamento mais estável do coeficiente de potência para a faixa de TSR analisada.


  • Mostrar Abstract
  • The search for renewable energy sources and low greenhouse gas emissions have grown in recent years, one of them being wind energy. Vertical-axis wind turbines can be classified into drag type and lift type turbines, among those powered by lift, it’s worth highlighting the Darrieus rotor. Most of the time, the design of a wind turbine is done using computational models, as the investment required for high-quality experiment facilities is generally higher than that necessary to obtain a sufficiently complete description of a flow through numerical simulations. Thus, the present work aims to optimize the geometric parameters, chord and thickness, of a Darrieus-H vertical axis wind turbine in order to improve the power coefficient aiming at a more stable behavior of this parameter as a function of the tip-speed ratio, TSR. The optimization process is performed using the NSGA-II genetic algorithm and response surface approximation. 2D numerical simulations are performed considering incompressible flow and using ANSYS® Fluent software, the optimization process is done via modeFRONTIER® software, and the response surface approximation is developed using Minitab® software. Turbine configurations with 2, 3 and 4 blades are optimized in order to find the one with the best power coefficient behavior relative to the tip-speed ratio. The results obtained are compared with experimental data available and an average power coefficient gain of 42% is achieved with a more stable behavior of the power coefficient for the analyzed range of TSR.

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  • LUCAS RAFAEL DA SILVEIRA
  • ESTUDO DOS PARÂMETROS DE SINTERIZAÇÃO DE UM AÇO INOXIDÁVEL DUPLEX PRODUZIDO POR METALURGIA DO PÓ COM ADIÇÃO DE CARBETO DE VANÁDIO

  • Orientador : GILBERT SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GEOVANI RODRIGUES
  • GILBERT SILVA
  • ROSINEI BATISTA RIBEIRO
  • Data: 27/02/2020

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  • Com o aumento do consumo de matéria-prima, energia e geração de resíduos, a reciclagem se faz necessária por razões ambientais e industriais. Assim o processo de moagem de alta energia juntamente com a técnica de metalurgia do pó, proporciona a produção de pós de aço inoxidável duplex com a adição de carbetos se torna um novo método para a reciclagem de cavacos. O objetivo deste trabalho foi a produção de pós do aço duplex UNS S31803 utilizando moagem de alta energia partindo do cavaco, com adição de carbetos de Vanádio como reforços. O carbeto de vanádio proporcionou um maior poder de cominuição no processo de moagem, sendo obtido um tamanho médio das partículas de 42,27 μm. O planejamento fatorial completo foi utilizado para obter as melhores condições de sinterização do aço inoxidável duplex, levando em consideração os três fatores mais importante na sinterização que são temperatura, pressão de compactação e tempo. Foram utilizados dois níveis para cada fator; temperatura de sinterização (1200, 1240 e 1280 °C), pressão de compactação uniaxial (700, 800 e 900 MPa), e tempo de sinterização (1, 1,5 e 2 horas). A análise do tamanho de partícula, microscopia eletrônica de varredura e difração de Raios X foram utilizadas na medição do tamanho de partículas e caracterização dos pós. Dados estatísticos revelaram que a temperatura e pressão de compactação são os termos mais influentes, no processo de sinterização. A maior densidade obtida foi de 82% e o valor de dureza obtido foi de 72% em relação à amostra conforme recebido. O material sinterizado apresentou as fases ferrita, austenita, além da fase martensítica induzida pela deformação. E a partir da análise das propriedades foi conferido que este método é viável, tornando-se uma rota alternativa para o reaproveitamento de cavacos de um aço inoxidável.


  • Mostrar Abstract
  • With the increase in consumption of raw materials, energy and waste generation, recycling is necessary for environmental and industrial reasons. Thus, the high energy grinding process together with the powder metallurgy technique, provides the production of duplex stainless steel powders with the addition of carbides becomes a new method for chip recycling. The objective of this work was the production of UNS S31803 duplex steel powders using high energy grinding from the chip, with the addition of vanadium carbides as reinforcements. Vanadium carbide provided greater comminution power in the milling process, with an average particle size of 42.27 μm. The complete factorial design was used to obtain the best sintering conditions for duplex stainless steel, taking into account the three most important factors in sintering which are temperature, compaction pressure and time. Two levels were used for each factor; sintering temperature (1200, 1240 and 1280 ° C), uniaxial compaction pressure (700, 800 and 900 MPa), and sintering time (1, 1.5 and 2 hours). Particle size analysis, scanning electron microscopy and X-ray diffraction were used to measure particle size and characterize powders. Statistical data revealed that compaction temperature and pressure are the most influential terms in the sintering process. The highest density obtained was 82% and the hardness value obtained was 72% in relation to the sample as received. The sintered material presented the phases ferrite, austenite, in addition to the martensitic phase induced by the deformation. And from the analysis of the properties it was verified that this method is viable, becoming an alternative route for the reuse of chips of a stainless steel.

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  • LUCAS GUSMÃO FREITAS
  • Análisecomputacionaldamigração debolhasemumescoamentocisalhante linearutilizandoduasabordagens multifásicas

  • Orientador : ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • ANGEL EDECIO MALAGUERA MORA
  • JUAN JOSE GARCIA PABON
  • LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • Data: 28/02/2020

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  • O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um código computacional capaz de modelar e prever o comportamento de bolhas inseridas em misturas multicomponentes de alta e baixa viscosidade, utilizando o método de Partículas de Temperatura baseado na abordagem euleriana-lagrangiana. Foram propostas novas correlações empíricas para modelagem da deformação de bolha em sistemas de alta viscosidade e do seu coeficiente de sustentação quando inseridos em fluidos de baixa viscosidade, assim como foram estudados os efeitos da transferênciadecaloredegradientestérmicosnatrajetóriaedinâmicadebolhas. Emparalelo, foiutilizadaaabordagemVOFparavalidaçõesdosresultadosobtidospelométododePartículas de Temperatura, sendo verificado a influência de alguns parâmetros da simulação multifásica como número de Courant, nível de refino da malha e esquemas de discretização na acurácia das soluções encontradas pelos solvers interFoam e interDyMFoam. Foram investigados os resultados de como as variações dos gradientes de velocidade sedodiâmetrodabolha impactam na dinâmica da fase dispersa. UmaoutrainvestigaçãoconduzidautilizandooOpenFOAMfoia influêncianomovimentodebolhasemfluidosdealtaviscosidadeparadiferentestemperaturas do escoamento e diferentes diâmetros da fase dispersa em fluido de baixa viscosidade, sendo verificada uma aproximação qualitativa entre o Método de Partículas de Temperatura e o VOF na influência da temperatura na migração de bolhas. O interDyMFoam capturou as diferentes direções de migração lateral da fase dispersa, apresentando bom acordo qualitativo com os resultados experimentais, embora seja necessário mais testes para diâmetros de bolha maiores que2,5mmemescoamentosdealtonúmerodeMorton.


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  • The present work describes the development of a computational code able to model and predict bubble behaviour in high viscosity multicomponent mixture, as well as in low viscosity systems, using the Temperature Particles Method based on the Eulerian-Lagrangian approach. Furthermore, new empirical correlations have been proposed for bubble deformation and lift coefficient modelling in high viscosity systems, as well as effects due to heat transfer and thermal gradients on bubble dynamics and trajectories. In parallel, a VOF-based method has been employed for validation of the results obtained by the Temperature Particles Method, verifying the influence of some multiphase simulation parameters like Courant number, mesh refinement level and discretization schemes on accuracy of solutions reached by interFoam and interDyMFoam solvers. The effects of velocity gradient and bubble diameter variations on dispersed phase have been investigated. Another conducted investigation using OpenFOAM has been devised to assert the influence on bubble movement in high viscosity fluids for different flow temperatures. Likewise, migration analysis of different bubble diameters in low viscosity fluid has been carried out by employing the VOF method. It has been noticed the good agreement obtained by the eulerian-lagrangian approach developed when compared to the literature, verifying a qualitative convergence between the temperature particles method and VOF when studied temperature influence on bubble migration. The interDyMFoam solver captured different directions of dispersed phase lateral migration, reporting good qualitative agreement with the experimental data, although further test for bubble diameter bigger than 2.5mm in high Morton number flows is still needed.
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  • GABRIEL MARQUES PINTO
  • ANÁLISE TERMOECONÔMICA DE UMA CENTRAL DE CICLO COMBINADO DE 826 MW - ESTUDO DE CASO UTILIZANDO UM SIMULADOR FULL-SCOPE

     

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CELSO EDUARDO TUNA
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • FAGNER LUIS GOULART DIAS
  • Data: 16/04/2020

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  • Usinas de ciclo combinado estão, cada vez mais, apresentando um papel de destaque na geração de eletricidade mundial. Estas usinas se destacam pelas suas maiores eficiências, menores custos de produção de eletricidade e menores emissões de gases de efeito estufa. No Brasil, um país com geração majoritariamente renovável, estas usinas têm aumentado, cada vez mais, sua participação na produção de eletricidade. Destaca-se que as usinas de ciclo combinado podem servir como alternativas para diversificar a matriz energética brasileira e aumentar a confiabilidade do sistema, evitando que crises de fornecimento se repitam. Neste contexto, este trabalho realiza uma análise energética, exergética e exergoeconômica de uma usina de ciclo combinado real, a partir da utilização de um simulador full-scope, que reproduz digitalmente, e de forma fiel, a operação da usina EDF Norte Fluminense, localizada em Macaé-RJ. Em resumo, este simulador apresenta uma duplicata exata da usina real e sua operação é idêntica a operação da usina real.
    Os resultados apresentaram, para a usina estudada, uma eficiência energética de 51,47% e uma eficiência exergética de 49,25%. Além disso, verificou-se que os equipamentos responsáveis pelas principais irreversibilidades foram: câmara de combustão, turbinas a gás e caldeiras de recuperação. Da análise exergoeconômica verificou-se que o custo de produção de eletricidade, para o caso base, foi calculado em como sendo 0,3891 R$/MWh, o que é 10% inferior ao CVU calculado pela ANEEL para a usina em questão. Por fim, verificou-se que, quanto maior o tempo de operação anual da usina, menor o custo de produção de eletricidade, o que pode motivar a construção de novas usinas de ciclo combinado para operar na base do sistema elétrico brasileiro, reduzindo a dependência de hidrelétricas e proporcionando ao consumidor tarifas inferiores àquelas observadas nas operações de térmicas convencionais.


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  • Combined cycle power plants are increasing their role in the electricity generation worldwide. These plants stand out for their higher efficiency, lower electricity production costs and relatively low greenhouse gas emissions. In Brazil, a country with mostly renewable energy generation, these plants have been increasing their participation in electricity production. It is noteworthy that combined cycle power plants can show off as an alternative to diversify the Brazilian energy matrix and increase the reliability of the system, preventing supply crisis just like happened in the past. In this context, this works performs an energetic, exergetic and exergoeconomic analysis of a combined cycle power plant, using a full-scope simulator, which digitally and faithfully reproduces the operation of the EDF Norte Fluminense Power Plant, located in Macaé-RJ. Briefly, the simulator presents an exact duplicate of the real power plant and its operation is identical to the operation of the EDF Norte Fluminense Power Plant.
    The results show that the energy efficiency of the studied plant is equal to 51.47% and the exergetic efficiency is equal to 49.25%. In addition, it was found that the equipment parts that are responsible for the main irreversibilities are: combustion chamber, gas turbines and heat recovery steam generators. From the exergoeconomic analysis, it was found that the cost of electricity production, for the base case, was calculated to be 0.3891 R$/MWh, which is 10% lower than the CVU calculated by ANEEL for the studied power plant. Finally, it was found that a longer plant’s annual operation time imply in the reduction of the cost of electricity production, which may motivate the use of combined cycle power plants as base load power plants, reducing the hydroelectric power plants dependence and providing to the final consumer lower tariffs than those observed in conventional thermal power plant operation.

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  • MARCELO TAI JÚNIOR
  • Análise do Deslocamento de um Pig Multidiâmetro e da Dinâmica do Escoamento

  • Orientador : ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • ELISAN DOS SANTOS MAGALHÃES
  • MARCELO JOSE PIRANI
  • Data: 27/07/2020

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  • Tubulações são o meio de transporte de fluidos mais empregado no mundo devido a sua eficiência, facilidade e segurança. Linhas de tubulações apresentam vida útil e precisam de manutenções ao longo do tempo. Desgastes, corrosões e formação de incrustações são exemplos de avarias que devem ser inspecionadas e devidamente tratadas. Para realizar esse serviço de manutenção, são utilizados os pigs, que são equipamentos capazes de realizar processos de inspeção, limpeza, entre outras funções. O uso da ferramenta é feito colocando a mesma na linha e passando-a através de um fluido com pressão suficiente para empurrar o pig por todo o percurso. É uma tecnologia extremamente necessária que deve ser cuidadosamente projetada, pois sua aplicação nas linhas é um procedimento perigoso. No presente estudo são feitas análises teóricas e experimentais das velocidades que um pig multidiâmetro de 4x8,5 polegadas pode atingir em trechos retos de quatro e sete polegadas. A análise teórica foi realizada aplicando as equações do movimento no pig e resolvendo-as por simulação numérica. A análise experimental foi feita através de lançamentos do equipamento em um loop de testes multidiâmetro localizado na Universidade Federal de Itajubá, no Núcleo de Separadores Compactos. O fluido de trabalho foi a água em condições ambiente, com vazões de trabalho de 20, 30, 40 e 50 𝑚³/ℎ e a pressão máxima atingida na linha foi de 10 bar. Além desse estudo, também são observadas as fotos obtidas
    de testes com o pig referentes aos escoamentos que ocorrem antes, durante e após a passagens do equipamento em alguns trechos transparentes do loop. Conseguiu-se um intervalo de velocidades teóricas compatíveis com as obtidas experimentalmente, mas não foi possível a obtenção de um parâmetro preciso. Quanto aos escoamentos, percebeu-se modificações dos mesmos de acordo com o desempenho do pig.

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  • Pipelines are the most widely used fluid transport method in the world due to their
    efficiency, ease and safety. Those have a long service life and need maintenance over time. Wear, corrosion and scale formation are examples of faults that must be inspected and properly treated. To perform this service, the pigs are used, which are equipment capable of carrying out inspection, cleaning, among other functions. This tool is used by placing it on the line and passing it through a fluid with sufficient pressure to push the all the way. It is an extremely necessary technology that must be carefully designed, as its application on the lines is a dangerous procedure. In the present study, theoretical and experimental analyzes are made of the speeds that a 4x8.5 inch multi-diameter can achieve in straight sections of four and seven inches. The theoretical analysis was performed by applying the equations of motion in and solving them by numerical simulation. The experimental analysis was done by launching the equipment in a loop of multi-diameter tests located at the Universidade Federal de Itajubá, Núcleo de Separadores Compactos. The working fluid was water in ambient conditions, with working flow rates of 20, 30, 40 and 50 𝑚³/ℎ and the maximum pressure reached on the blade was 10 bar. In addition to this study, photos obtained from tests with the referring to the flows that occur before, during and after the passage of the equipment in some transparent sections of the loop are also observed. It was achieved a range of theoretical speeds compatible with those obtained experimentally, but it was not possible to obtain a precise parameter. As for flows, modifications were noticed according to the performance of pig.
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  • CARLOS RALDIERES LEITE
  • PERDA DE CAPACIDADE DE GERAÇÃO EM CENTRAIS HIDRELÉTRICAS POR EFEITO DA EVOLUÇÃO TEMPORAL DA RUGOSIDADE DO CIRCUITO HIDRÁULICO DA INSTALAÇÃO

  • Orientador : CARLOS BARREIRA MARTINEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLOS BARREIRA MARTINEZ
  • EDNA MARIA DE FARIA VIANA
  • FREDERICO FABIO MAUAD
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • Data: 10/08/2020

  • Mostrar Resumo
  • O Brasil vem se destacando ao longo dos anos por ser um dos países que mais se desenvolve em termos de geração de energia elétrica através de fontes renováveis, dentre estas fontes estão aquelas cuja geração se dá através do movimento das águas em conjunto com obras civis denominadas por Usinas Hidrelétricas, sendo estas de pequeno, médio e grande portes. Neste processo de geração pode haver perdas, sendo que estas podem ser estimadas via estudo das vazões dos mananciais ao longo dos períodos mais rigorosos dos anos em conjunto com fatores internos da própria instalação geradora. Portanto, este trabalho apresenta um estudo da redução da energia elétrica gerada em algumas unidades geradoras devido ao envelhecimento de tubulações forçadas da instalação e consequentemente aumento da rugosidade superficial destas tubulações. Esta redução é calculada usando dados físicos da planta comparando com o período hidrológico crítico do sistema. Um aumento na perda de carga e consequente redução de capacidade de geração do sistema foi calculado através da evolução temporal da rugosidade interna das tubulações. Este estudo mostra os efeitos deste fenômeno descrito em termos de performance do sistema, ao logo dos anos.


  • Mostrar Abstract
  • Brazil has been on the spotlight since it is a country investing more and more in terms of generating electric energy by renewable sources. Building a Hydroelectric Power Plants of small medium and big capacities using the water movements is one of the most effective way of generating clean electric power. Then, it is possible to estimate future and past electric generation gain and losses correlating both data from the water critical periods and power plant installations. This paper presents a study of the reduction of hydroelectric energy generation for some Hydropower Generating Plants, due to the aging of forced pipes lead by the increase of the roughness of these pipes. This reduction is calculated using physical data from the plant, when compared to a generation scenario within the critical hydrological period of the system. An increase of the load loss and consequent reduction of the system power capacity was calculated from the pipes roughness temporal and internal evolution. Then, this study shows the effects of the phenomenon described above in terms of system performance throughout the years.

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  • TIAGO MARTINS DE AZEVEDO
  • Validação Numérica-Experimental do Comportamento Hidrodinâmico de uma Turbina Hélice em Escala Reduzida

     

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GERALDO LUCIO TIAGO FILHO
  • GUSTAVO ADOLFO RONCEROS RIVAS
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • WALDIR DE OLIVEIRA
  • Data: 14/08/2020

  • Mostrar Resumo
  • Sob a modalidade de máquinas motoras, as turbinas hidráulicas axiais possuem grande aplicação no Brasil e no mundo para geração de energia elétrica; desse modo, torna-se fundamental para o dimensionamento dessas máquinas, entender as características, os critérios de funcionamento e aplicação caso a caso. Assim, o objetivo deste trabalho tem por base desenvolver um projeto preliminar de uma turbina hidráulica axial, por meio das teorias de grade, de asa de sustentação, de vórtice potencial e equilíbrio radial, de modo a serem analisados sob os métodos numéricos e de ensaios experimentais.
    Desse modo, usando as teorias clássicas, desenvolveu-se um projeto preliminar do rotor considerando uma distribuição de energia específica constante desde o cubo até a ponta da pá resultando em diferentes ângulos de montagem de pás. O sistema diretor foi projetado para a velocidade relativa estar alinhada com a pá do rotor, baseando-se pela composição dos triângulos de velocidades na entrada do rotor, para todas as posições radiais do cubo até a ponta da pá. Com o uso da prototipagem, fabricou-se o modelo em plástico ABS, montado na bancada de ensaios do LHPCH, considerando as grandezas independes de H, Q e rotação, dentre os valores de nqA correspondentes a rotores axiais.
    Para as análises numéricas, foram feitas as discretizações dos domínios, inercial e não inercial, com malhas estruturadas, não estruturadas e híbridas. Para a solução das equações RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) foi utilizado o modelo de turbulência k-ω SST. Assim, foram levantadas as curvas características de funcionamento da turbina atendendo critérios de convergência e independência de malha.
    Em contrapartida, foram feitas as análises experimentais utilizando um freio de cinta para manter a rotação constante, com variação da vazão e altura de queda, permitindo levantar as curvas características experimentais. Por fim, foram feitas as comparações entre as curvas características e as curvas de rendimento da máquina para ambas metodologias, e mesmo apresentando uma pequena divergência de valores, foi possível validar tanto o projeto preliminar, como as metodologias utilizadas neste trabalho.
     
     
     

  • Mostrar Abstract
  • Considering the modality of motor machines, axial hydraulic turbines are widely used in Brazil and worldwide for hydropower generation; thus, it becomes essential to dimension these machines, to understand its characteristics, operational criteria and application on a case-to-case basis. Consequently, the objective of this work is based on developing a preliminary design of an axial hydraulic turbine, using the theories of grid, wing lift, potential vortex and radial balance, in order to analyze the project under the numerical and experimental methods.
    Therefore, using classic theories, a rotor preliminary design was developed considering a constant specific energy distribution from the hub to tip of blade resulting in different blade assembly angles. The distributor system was designed for the relative velocity to be aligned with the rotor blade, based on the composition of the velocity triangles at the rotor inlet, for all the radial positions of the hub to tip of blade. In addition, it was use made a prototype manufactured in ABS plastic, assembled on the LHPCH test bench, considering the independent quantities of H, Q and rotation, among the nqA values corresponding to axial rotors.
    For the numerical analyzes, the domains, inertial and non-inertial, were discretized with structured, unstructured and hybrid meshes. For the solution of the RANS equations (Reynolds Averaged Navier Stokes) k-ω SST turbulence model was used. Thus, the characteristic curves of the turbine's operation were developed, meeting the criteria of convergence and mesh independence.
    On the other hand, experimental analyzes were carried out using a belt brake to keep the rotation constant, with variation in flow and head, allowing to elicit experimental characteristic curves. Finally, comparisons were made between the characteristic curves and efficiency curves for both methodologies, and even with a small divergence of values, it was possible to validate both, the preliminary design and the methodologies used in this Master's thesis.

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  • ALISSON APARECIDO VITORIANO JULIO
  • Avaliação Exergoeconômica e Exergoambiental de Biorrefinarias de Óleo de Palma

  • Orientador : JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • SILVIA AZUCENA NEBRA DE PEREZ
  • Data: 18/08/2020

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  • Essa pesquisa explora a produção de biocombustíveis de aviação por diferentes rotas, em
    biorrefinarias integradas a extração de óleo de palma. As biorrefinarias são divididas em quatro
    estudos de caso, com plantas de extração, biodiesel, etanol de segunda geração e plantas de
    produção de biojet fuel, via processos HEFA e via ATJ. Além disso, estão incluídas também
    estações de cogeração, que são abastecidas com a biomassa residual da extração e permitem
    que todos os casos estudados tenham suas demandas por energia térmica e elétrica supridas. As
    biorrefinarias são analisadas por indicadores de 1a e de 2a Lei, exergoeconomicamente e exergoambientalmente,
    tal como, faz-se uma análise de ciclo de vida e uma análise econômica dos
    casos estudados. Aanálise termodinâmica aponta para o caráter ainda emergente das tecnologias
    usadas para produção de biocombustíveis aeronáuticos, devido às suas grandes irreversibilidades.
    A análise exergoeconomica indicou que o processo de obtenção de biocombustíveis que
    conta com os maiores custos unitários, exergéticos e monetários, é o processo ATJ. A produção
    de eletricidade excedente tem os maiores custos obtidos. A análise econômica indica que a
    planta que apresenta maior atratividade é a do Caso 2, devido ao menor investimento. Ambientalmente,
    os resultados indicam que a produção de biojet fuels é favorável à mitigação dos
    efeitos de aquecimento global para os combustíveis obtidos pela rota HEFA. A diversificação
    dos produtos das biorrefinarias contribui para as finanças do sistema, entretanto, tecnicamente
    ainda não se mostram vantajosos, pois as melhores eficiências são encontradas para o Caso Base.


  • Mostrar Abstract
  • This research has the goal of exploring the biojet fuel production, by different routes, in
    biorefineries scenarios integrated with palm oil mills and biodiesel plants. The biorefineries
    are separated into four case studies, which have extraction, transesterification and a secondgeneration
    ethanol plant, besides the plants for biojet fuel production, via HEFA and ATJ.
    Furthermore, each one of the biorefineries has a cogeneration plant that is responsible for
    supplying all the processes with thermal and electric energy. The biorefineries are thermodynamically
    evaluated by means of the First and Second Laws of Thermodynamics, also are evaluated
    by an exergoeconomic and an exergoenvironmental approach, an economical evaluation, and a
    life cycle analysis. The results of the thermodynamical analysis point towards the immature character
    of the biojet fuel production chain, due to the irreversibilities on those processes, and as in
    the ATJ process are founded the highest exergetic and monetary costs of production among the
    biofuels. The surplus of electricity produced at the cogeneration station has higher exergetic and
    monetary costs in all the biorefineries. The economic analysis showed that Case Study 2 is the
    most economical attractive case because it takes the lowest initial investment. Environmentally
    the results indicate that the biojet fuel production is an alternative that can mitigate the effects
    of global warming when the HEFA route is considered. The diversification of the biorefineries’
    products contribute to the finances of the plant, but technically the production chains are not
    fully prepared, once the best energy and exergy efficiencies are found in Baseline Case.

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  • LUCAS ANTONIO DE OLIVEIRA
  • Simulação, Modelagem e Análise das Qualidades de Voo de um Helicóptero

  • Orientador : SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • FERNANDO MADEIRA
  • MARCELO SANTIAGO DE SOUSA
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • YOHAN ALI DIAZ MENDEZ
  • Data: 04/09/2020

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  • Neste trabalho realizou-se a modelagem da aeronave de asas rotativas modelo
    Super Lynx e a implementação de leis de controle de vôo para esta aeronave.
    Para análises iniciais, utilizou-se do código de simulação numérica para
    voo de helicópteros helicopt􀀀Unifei5 ,desenvolvido na UNIFEI e apresentado
    no Relatório Final Projeto 351 (2015/2016). Foram utilizados, os dados do
    modelo Super Lynx encontrados no livro do Padfield(2007), os quais foram
    substituídos no código citado. Leis de controle de voo foram projetadas para
    "simular"um piloto comandando o helicóptero. O uso de simulações com controle
    foi importante para se realizar algumas análises de qualidade de voo. Na
    realização dos controles foi utilizado o Regulador Integrativo Universal, sendo
    definido para cada projeto do controlador, parâmetros que buscaram atender
    três condições de voos distintas dentro do envelope da aeronave, em sua maioria
    definidos para três velocidades diferentes. Além da variação numérica da
    velocidade, foram definidas variações nas amplitudes dos sinais de referência
    desejados, o que resultou em uma ampla faixa alcançada pelos controladores.
    A utilização do RIU para controle de aeronaves de asas rotativas e sua aplicação
    para distintas relações de velocidades e amplitudes, se apresenta como
    novidade. Após o projeto das leis de controle de voo, as qualidades de voo
    foram avaliadas. Os critérios de resposta do eixo longitudinal dos documentos
    ADS-33E foram utilizados nas avaliações.


  • Mostrar Abstract
  • In this work, the modeling of helicopter Super Lynx was made, followed by
    the implementation of flight control laws. Flight control were designed in order
    to "simulate"the pilot commands on the helicopter. The use of flight simulations
    with control was important in order to perform some handling qualities analysis.
    For initial analysis, it was used the code for helicopter flight simulations
    helicoptUnifei5, developed at Unifei and presented on the Final Report Project
    351 (2015/2016). In this work, data from the Superlynx model found in the
    book Padfield(2007) were used, which were implemented in the code used. In
    carrying out the control, the Universal Integrative Regulator was used. Controller
    gains were implemented in order to control the helicopter at three different
    to three different flight conditions within the aircraft envelope. In addition to
    the numerical variation of the speed, the amplitudes of the controls were changed,
    which allowed to increase the range controlled by the regulators. After the
    design of the flight controls laws, some handling qualities were evaluated. The
    roll axis response criteria of documents ADS-33E was used in the

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  • BRIAN EDISON DE GODOY PEREIRA
  • ESTUDO NUMÉRICO DAS CARACTERÍSTICAS E DO CONTROLE DO ESTOL DINÂMICO EM UM PERFIL NACA0012

  • Orientador : ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • ANGEL EDECIO MALAGUERA MORA
  • MARIA LUIZA GRILLO RENO
  • Data: 28/09/2020

  • Mostrar Resumo
  • Um dos efeitos bastante conhecido na aerodinâmica é o efeito estol que consiste de uma queda brusca do coeficiente de sustentação devido à separação do escoamento do corpo. Diversos estudos são realizados na tentativa de suprimir este efeito tanto para evitar acidentes aéreos quanto para melhorar a aerodinâmica das aeronaves e sua eficiência. Apresenta-se neste trabalho um estudo numérico de escoamentos viscosos e incompressíveis de fluidos newtonianos, sobre um perfil NACA0012 em movimento de arfagem com o objetivo de analisar alguns mecanismos de atraso e supressão do estol dinâmico. Para realizar os estudos numéricos utilizou-se o programa de simulação COMSOL Multiphysics com o modelo de turbulência k-ω e todas as simulações foram realizadas no Laboratório de Transferência de Calor (LabTC) da Universidade Federal de Itajubá. O primeiro estudo na supressão do efeito de estol dinâmico foi feito com a introdução de slats ao aerofólio gerando um atraso no estol e diminuindo o pico de arrasto em 15,52%. No segundo estudo foi realizada a implementação de jatos insufladores em três diferentes posições no bordo de ataque com velocidades variando de uma à quatro vezes a velocidade de escoamento. Em todos os casos com jatos insuflados ocorreu o atraso no estol dinâmico e para os casos com posicionamento de 2,5%c e 5%c, onde c é a corda do aerofólio, com velocidade de insuflação igual a quatro vezes a velocidade do escoamento livre houve a supressão total do estol. O terceiro foi direcionado à adição de um ponto de sucção no extradorso do perfil NACA0012, onde a sucção não inibiu o estol dinâmico, mas possibilitou o atraso deste efeito. Foram realizadas as análises qualitativas e quantitativas dos resultados através dos campos de pressão e de velocidade e dos coeficientes aerodinâmicos para demonstrar o atraso e supressão do efeito de estol dinâmico. Também foi realizado um estudo de validação da metodologia utilizada comparando os resultados obtidos com resultados numéricos e experimentais de outros autores para demonstrar a boa confiabilidade da metodologia.


  • Mostrar Abstract
  • The stall is a well-know aerodynamic effect that consists of a lift abrupt fall due to the flow detachment from the body. Several studies were made in an attempt to suppress this effect, both to avoid air accidents and to improve aircraft aerodynamics and efficiency. This work presents numerical studies of viscous and incompressible Newtonian fluid flow on a pitching NACA0012 airfoil to analyze the dynamic stall delay and suppression. The boundary layer detachment control methods studied were with the introduction of slats, air jets, and suction in the suction region of the airfoil. For these studies, the COMSOL Multiphysics simulation program was used with the k-ω turbulence model and all simulations were carried out at the Heat Transfer Laboratory (LabTC) of the Federal University of Itajubá. The first study to suppress the dynamic stall effect was made by introducing slats to the airfoil, generating a stall delay and reducing the drag peak by 15.52%. In the second study, the implementation of blowing jets was carried out in three leading-edge positions with speeds varying from one to four times the flow speed. All cases with inflated jets there was a delay in the dynamic stall and for the cases with positioning of 2,5%c and 5%c, where c is airfoil chord, using inflation speed four times the free-flow speed the stall was tottaly suppress. The third study was aimed at adding a suction point in the upper region of NACA0012 where suction did not inhibit the dynamic stall, but made it possible to delay this effect. Qualitative and quantitative analyzes of the results were carried out through the pressure and velocity fields and the aerodynamic coefficients to demonstrate the delay and suppression of the dynamic stall effect. A validation study of the methodology used was also carried out comparing the results obtained with numerical and experimental results from other authors to demonstrate the good reliability of the methodology.

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  • Paulo César Paroli Santos Junior
  • AVALIAÇÃO DA INFLUENCIA DO TRATAMENTO DE ENVELHECIMENTO DUPLEX NA CORROSÃO SOB TENSÃO DA LIGA Ti-6Al-4V

  • Orientador : EDMILSON OTONI CORREA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLOS ALBERTO CARVALHO CASTRO
  • EDMILSON OTONI CORREA
  • JEAN CARLO CESCON PEREIRA
  • Data: 02/10/2020

  • Mostrar Resumo
  • Investigou-se a influência do tratamento térmico de envelhecimento duplex (ED) na susceptibilidade à corrosão sob tensão (CST) da liga Ti-6Al-4V em ambiente de submersão em metanol (CH3OH). Para efeito de comparação, foi realizado procedimento similar em amostras em estado recozido e em amostras submetidas ao envelhecimento convencional (ES). Para a avaliação da susceptibilidade à corrosão sob tensão foi utilizado o método de ensaio de corrosão sob tensão com carga constante seguido de avaliação microestrutural com auxílio de microscópios optico e eletrônico de varredura (MEV). Adicionalmente, para avaliação da influência dos tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento na resistência mecânica da liga, foram realizados ensaios de dureza nas diferentes amostras. O ensaio de dureza mostrou forte incremento de resistência no material após tratamento térmico e o ensaio de corrosão sob tensão indicou variação positiva na resistência à corrosão do material após o segundo estágio de envelhecimento (envelhecimento duplex).


  • Mostrar Abstract
  • It was studied the influence of Duplex Aging Heat Treatment in the susceptibility to stress corrosion cracking of the Ti-6Al-4V alloy submerse in methanol (CH3OH). For comparison reasons, it was carried out a similar procedure in annealed and single aged samples. In order to evaluate the stress corrosion susceptibility, it was performed the Constant Load Stress Corrosion Cracking Test, followed by a microstructural evaluation with optical and scanning electron microscopy (SEM) aid. Additionally, for the evaluation of the influence of solutionaging heat treatments in alloy strength, hardness tests were carried out in samples submitted to all different heat treatment conditions (annealed, single aged and duplex aged). The hardness tests showed a substantial increase in strength after heat treatment, the stress corrosion test indicated positive change in corrosion resistance after the second stage of aging (duplex aging).

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  • JULIO PATTI PEREIRA
  • Estudo Numérico do Escoamento ao Redor de um Corpo Rombudo que Oscila Forçadamente na Presença do Efeito Solo

  • Orientador : LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEX MENDONÇA BIMBATO
  • LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • MARCELO JOSE PIRANI
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • Data: 10/12/2020

  • Mostrar Resumo
  • O presente trabalho consiste no estudo de dois fenômenos envolvidos em análises de interação fluido-estrutura, isto é, o efeito solo e as Vibrações Induzidas por Vórtices (V.I.V.). Utiliza-se o Método de Vórtices Discretos (M.V.D.) de caráter puramente Lagrangeano para a solução numérica do problema da oscilação forçada sobre um cilindro circular imerso em um escoamento fluido, tendo o corpo um grau de liberdade para oscilar apenas na direção in-line, isto é, na direção do escoamento incidente. Nessas condições, há uma intensa interação entre fluido e estrutura, e manifestam-se complexos fenômenos que caracterizam os estudos de V.I.V., como o surgimento de diferentes regimes de formação e desprendimento de estruturas vorticosas, a competição entre esses regimes e o fenômeno de atrelagem síncrona, lock-on ou lock-in. Para o estudo e acurácia dos carregamentos fluidodinâmicos na situação de vibração forçada, esse trabalho contribui com o desenvolvimento teórico e a implementação numérica no cálculo de efeitos inerciais na formulação integral da entalpia específica de estagnação. Separadamente, são realizadas investigações a respeito da influência causada puramente pela proximidade de uma superfície plana em relação ao cilindro imerso em um escoamento, utilizando-se de um artifício numérico, o qual desacopla a camada limite (C.L.) originada junto à parede plana, o que produz um efeito semelhante a situação em que o chão se move na mesma velocidade do fluido. Verificou-se a ocorrência de fenômenos como a mudança do ponto de estagnação e dos pontos de separação da C.L. sobre o corpo rombudo estacionário, variações significativas dos carregamentos e supressão do regime de desprendimento de vórtices quando a distância entre o chão e o cilindro é muito pequena. Ao final, realizou-se investigações onde as situações de efeito solo e V.I.V. se fazem presentes simultaneamente, investigando a dominância de um fenômeno sobre o outro em situações em que os efeitos eram concorrentes. Todas as simulações são realizadas para um número de Reynolds (𝑅𝑒) igual a cem mil. De modo geral, os estudos tiveram ótima correspondência com a literatura. No entanto, um estudo que envolva a situação análoga com a atuação dos dois efeitos de interferência é raramente encontrado na literatura para a comparação.


  • Mostrar Abstract
  • The present work consists of the study of two phenomena involved in fluid-structure interaction analysis, that is, the ground effect and Vortex-Induced Vibrations (V.I.V.). The purely Lagrangian Discrete Vortex Method is used for the numerical solution of the forced oscillation problem on a circular cylinder immersed in a fluid flow, with the body having a degree of freedom to oscillate only in the in-line direction, that is, in the streamwise direction. Under these conditions, there is an intense interaction between fluid and structure, and complex phenomena that characterize V.I.V. studies are manifested, such as the appearance of different regimes of formation and structural vortex shedding, the competition between these regimes and the phenomenon of synchronous coupling, lock-on, or lock-in. For the study and accuracy of fluid dynamic loads in the situation of forced vibration, this work contributes to the theoretical development and numerical implementation in the calculation of inertial effects in the integral formulation of the specific stagnation enthalpy. Separately, investigations are carried out regarding the influence caused purely by the proximity of a flat surface to the cylinder immersed in a flow using a numerical artifice which decouples the boundary layer originated along the flat wall, which produces a similar effect to the situation where the ground moves at the same speed as the fluid. The occurrence of phenomena such as the change in the stagnation point and the separation points of the boundary layer on the stationary bluff body, significant variations in the loads and suppression of the vortex shedding regime when the distance between the ground and the cylinder is very small were verified. In the end, investigations were carried out where situations of ground and V.I.V. effects are simultaneously present, investigating the dominance of one phenomenon over the other in situations where the effects were adverse. All simulations are performed for a Reynolds number equal to hundred thousand. In general, the studies had excellent correspondence with the literature. However, a study involving a similar situation with the performance of the two interference effects is rarely found in the literature for comparison.

Teses
1
  • VILSON ALTAIR DA SILVA
  • Estudo Numérico e Experimental da Convecção Natural em Dissipadores com Aletas Retangulares

     

  • Orientador : SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • FREDERICO ROMAGNOLO S. LIMA
  • MARCELO JOSE PIRANI
  • ROGERIO FERNANDES BRITO
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • SOLIDÔNIO RODRIGUES DE CARVALHO
  • Data: 11/02/2020

  • Mostrar Resumo
  • O estudo de dissipadores de calor é importante pois estes melhoram a transferência de calor entre um corpo e o ambiente, podendo diminuir a temperatura de trabalho deste corpo. Com o advento da tecnologia os componentes eletrônicos, que têm se tornado cada vez mais avançados e potentes, têm temperaturas de trabalho bastante elevadas, prejudicando sua vida útil, assim necessitam de dissipadores de calor para trabalharem bem. Neste trabalho, estudou-se a transferência de calor por convecção natural em dissipadores com aletas planas retangulares. Análises numéricas, feitas no programa COMSOL Multiphysics®, foram realizadas utilizando os resultados experimentais obtidos de 18 dissipadores de calor com diferentes parâmetros geométricos e validadas comparando os resultados experimentais e os numéricos, bem como com a literatura para dois dissipadores. Dentre os resultados numéricos foram obtidos o valor médio do coeficiente de transferência de calor por convecção, ℎ
    ̅, os campos de temperatura no dissipador e no escoamento de ar do domínio, assim como os campos de velocidade e vorticidade e a distribuição do número de Nusselt sobre o dissipador de calor. Assim, o uso do COMSOL foi fundamental para este estudo, pois possibilitou a obtenção de resultados que são de difícil visualização experimentalmente. Tais resultados também mostraram que em alguns casos os dissipadores de calor agiam como verdadeiros blocos, devido ao número ou altura das aletas, frente ao escoamento de ar. Também foi realizada uma análise utilizando o conceito de resistência térmica de convecção, comparando os 18 dissipadores de calor a uma placa plana, o que comprovou que o uso deles, na grande maioria dos casos, é relevante. Nesta comparação também é observado que os dissipadores têm melhor eficiência quando posicionados com base e aletas na vertical do que quando posicionados com base na horizontal e aletas na vertical. Análises de incertezas foram realizadas e encontraram-se incertezas percentuais menores que 4,88% para os casos simulados e menores que 7,51% para os casos experimentais, o que assegura a qualidade dos resultados encontrados. Logo o objetivo deste trabalho foi utilizar os resultados experimentais para validar e embasar os resultados numéricos que por sua vez ajudaram na compreensão do fenômeno da transferência de calor com convecção natural em dissipadores com aletas planas retangulares e no ambiente que os cercam.


  • Mostrar Abstract
  • The study of heatsinks is important because they improve the heat transfer between a body and the environment, which can decrease the operating temperature of that body. With the technology advent, electronic components, which have become increasingly advanced and powerful, have very high operating temperatures, impairing its lifespan, therefore they need heatsinks to work well. In this work, the heat transfer by natural convection in heatsinks with rectangular flat fins was studied. Numerical analyses, made in software COMSOL Multiphysics®, were performed using the experimental results obtained from 18 heatsinks with different geometric parameters and validated by comparing the experimental and numerical results, as well as with the literature for two heatsinks. Among the numerical results, the average value of the heat transfer coefficient by convection, ℎ
    ̅, the temperature fields in the heatsink and in the air flow of the domain, also the speed and vorticity fields and the Nusselt number distribution on the heatsink were obtained. Thus, the use of COMSOL was fundamental for this study, as it made possible to get results that are difficult to visualize experimentally. These results also showed that in some cases the heatsinks worked as blocks, due to the number or height of the fins, facing the air flow. An analysis was also carried out using the concept of thermal convection resistance, comparing the 18 heatsinks to a flat plate, which proved that the use of heatsinks, in most cases, is relevant. In this comparison it is also observed that the heatsinks have better efficiency when positioned with base and fins vertically than when positioned with base horizontally and fins vertically. Uncertainties analyzes were performed and percent uncertainties were found to be less than 4.88% for simulated cases and less than 7.51% for experimental cases, which ensures the quality of the results found. Therefore, the aim of this work was to use the experimental results to validate and support the numerical results, which in turn helped to understand the phenomenon of heat transfer with natural convection in heatsinks with rectangular flat fins and in the surrounding environment.

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  • MARCO AURELIO VILANOVA TREDICCI
  • Projeto e Desenvolvimento de um Equipamento de Compactação à Quente

  • Orientador : GILBERT SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GILBERT SILVA
  • GLAUCO JOSE RODRIGUES DE AZEVEDO
  • IRINEU DOS SANTOS YASSUDA
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • TIAGO JOSE MENEZES GONÇALVES
  • Data: 28/02/2020

  • Mostrar Resumo
  • Desenvolvimento de um equipamento para a obtenção de amostras circulares (diâmetros
    de 4mm) na Metalurgia do Pó (PM) por Compactação por Descarga Elétrica (EDC) e
    Sinterização por Descarga Elétrica (EDS), capaz de realizar a Compactação à Quente
    (HP) e Sinterização por Plasma em Corrente Elétrica (SPS) com a união das duas etapas
    do processo num único equipamento sem a necessidade de desmoldagem da amostra.
    Dimensionar transformadores de alta amperagem e baixa voltagem (HALV) e
    desenvolver um molde (matriz e/ou punções) tendo como fonte de calor a energia
    térmica gerada por Efeito Joule (JE) proveniente de corrente elétrica alternada (AC) sem
    que ocorra a fundição da amostra. As faixas de operação são: temperatura (ambiente a
    400ºC), tempo de cada descarga elétrica (0 a 16s), pressão (0 a 9GPa) e curso do
    atuador (0 a 150mm) todas variáveis independentes, simultâneo ou instantâneo. A forma
    final dos eletrodos possui características comerciais, adaptado para moldes de peças
    com reentrâncias e espessuras de 20mm em uma matriz estacionária, de simples ação,
    uniaxial e atmosfera livre com registro de parâmetros aplicável aos pós cerâmicos,
    polímeros, metais, óxidos, silicatos e suas misturas em quaisquer composições.


  • Mostrar Abstract
  • Development of equipment for obtaining circular samples (diameters of 4mm) in
    Powder Metallurgy (PM) by Compaction by Electric Discharge (EDC) and Sintering by
    Electric Discharge (EDS), capable of performing Hot Compaction (HP) and Electric
    Current Plasma Sintering (SPS) with the union of the two process steps in a single
    equipment without the need to demould the sample. Dimension high amperage and low
    voltage transformers (HALV) and develop a mold (matrix and / or punches) using the
    thermal energy generated by the Joule Effect (JE) from alternating electric current (AC)
    as a source of heat without casting. Sample. The operating ranges are: temperature
    (room at 400ºC), time of each electric discharge (0 to 16s), pressure (0 to 9GPa) and
    actuator travel (0 to 150mm) all independent variables, simultaneous or instantaneous.
    The final shape of the electrodes has commercial characteristics, adapted for molds of
    parts with recesses and thicknesses of 20mm in a stationary matrix, of simple action,
    uniaxial and free atmosphere with registration of parameters applicable to ceramic
    powders, polymers, metals, oxides, silicates and their mixtures in any compositions.

3
  • FRANCISCO REGIS MACHADO NASCIMENTO
  • Modelagem e Construção de Gaseificador de Leito Fluidizado Borbulhante de Bancada Operando com Misturas e suas Implicações na Aglomeração do Leito

  • Orientador : ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • RAFAELA FROTA REINALDO
  • RUBENILDO VIEIRA ANDRADE
  • SILVIO DE OLIVEIRA JUNIOR
  • Data: 09/03/2020

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  • Este trabalho tem como objetivo projetar, modelar e efetuar análise paramétrica de um gaseificador de leito fluidizado borbulhante, além de determinar as melhores condições de operação, além de estudar os mecanismos de aglomeração do leito. Este trabalho é composto de quatro trabalhos principais: Modelagem Hidrodinâmica, Modelagem Termodinâmica, Análise de Sensibilidade e Análise da aglomeração do leito a fim de evitar a defulidização do mesmo. Trata-se de assunto de interesse mundial no que concerne à produção de energia e biocombustíveis, além do apelo ambiental. Uma metodologia de projeto é desenvolvida através de modelo de equilíbrio químico para determinação dos principais parâmetros de entrada e saída do reator de leito fluidizado borbulhante. A partir da modelagem e de cálculos hidrodinâmicos, são determinadas as principais dimensões do equipamento e a potência térmica. A partir dos cálculos, são determinadas as respectivas vazões considerando misturas de ar, vapor superaquecido e oxigênio. O projeto executivo com as principais dimensões do reator foi determinado, bem como desenvolvido projeto de automação do mesmo. O reator foi construído e instalado na Universidade Federal de Itajubá, projetado para trabalhar com bagaço da cana-de-açúcar. Através de simulações com misturas de ar, vapor superaquecido e oxigênio, são obtidas as melhores condições de operação visando maximizar os dados de saída e os principais parâmetros de operação. Foram efetuadas análises a fim de evitar o inconveniente da aglomeração do leito.
    O equipamento permite o teste de uma infinidade de catalisadores e biomassas, sendo um instrumento voltado à produção científica de alto nível a nível do estado da arte de gaseificação de biomassas neste tipo de reator.


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  • This work objectives to design, model and perform parametric analysis of a bench scale bubbling fluidized bed gasifier, in order to determining the best operating conditions, in addition to review the bed agglomeration mechanisms. This work is composed of four main works: Hydrodynamic Modeling, Thermodynamic Modeling, Sensitivity Analysis and Analysis of the bed agglomeration in order to avoid its defluidization. This is a matter of worldwide interest with regard to the production of energy and biofuels, in addition to the environmental appeal. A project methodology is developed through a chemical equilibrium model to determine the main parameters of entry and exit of the bubbling fluidized bed reactor. From the modeling and hydrodynamic calculations, the main dimensions of the equipment and the thermal power are determined. From the calculations, the respective flow rates are determined considering mixtures of air, superheated steam and oxygen. The executive project with the main dimensions of the reactor was determined, as well as the automation of project developed. The reactor was built and installed at the Federal University of Itajubá, designed initially to work with sugarcane bagasse. Through simulations with mixtures, the best operating conditions are obtained in order to maximize the output data and the main operating parameters. Investigates were carried out to avoid the inconvenience of bed agglomeration.
    The equipment allows the testing of a many catalysts and biomasses, being an instrument aimed at high level scientific production at the state of the art of gasification of biomasses in this type of reactor.

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  • LORENA CRISTINA MIRANDA BARBOSA
  • CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE COMPOSITOS BASEADOS EM UMA NOVA MATRIZ TERMOPLÁSTICA POR INFUSAO AVÁCUO

  • Orientador : ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • EDSON COCCHIERI BOTELHO
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • OLIVIA DE ANDRADE RAPONI
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 11/03/2020

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  • Este estudo está focado na avaliação do desempenho mecânico e dos mecanismos de falha de compósitos à base de uma resina termoplástica líquida sob várias condições de carregamento em comparação com compósitos à base de epóxi. Os laminados compostos reforçados por fibras de carbono foram fabricados pela VARTM (Moldagem por transferência de resina assistida a vácuo). Os compósitos foram submetidos às condições de carregamento do modo II, a fim de verificar sua tolerância a danos. Nesse caso, os compósitos termoplásticos apresentaram 40% mais resistência à fratura interlaminar em comparação aos compósitos epóxi. Esses materiais obtiveram desempenho superior na resistência à propagação de trincas, pois tendem a absorver a energia associada à propagação de trincas na forma de deformação plástica em comparação aos compósitos epóxi. Também foram realizados testes de resistência à tração e cisalhamento no plano para avaliar a resposta de ambos os materiais em amostras não condicionadas e condicionadas. Os compósitos termoplásticos apresentaram 30% mais resistência à tração em comparação aos compósitos epóxi. Para amostras condicionadas, essa diferença foi de 14%. Esses resultados foram relacionados à plastificação, que tende a favorecer o amolecimento do polímero, proporcionando maior deformação plástica da matriz, promovendo uma fratura dúctil do compósito. Por outro lado, as propriedades de cisalhamento no plano foram 30% maiores para os laminados termoendurecíveis em ambas as condições. Nesse caso, a umidade pode ter favorecido a formação de rachaduras na superfície e enfraquecido a adesão interfacial fibra / matriz. Análises adicionais baseadas no projeto de experimentos mostraram que a resina Elium® 150 afeta significativamente todas as respostas e apresentou, de fato, um melhor comportamento em comparação à resina epóxi. Embora os efeitos do condicionamento tenham apresentado uma contribuição estatisticamente perceptível à resistência à tração, a presença da umidade não proporcionou um aprimoramento significativo da resistência ao cisalhamento no plano. A análise baseada na metodologia de teste acelerado de compósitos Carbon Fiber / Elium® 150 mostra que as altas frequências aumentam a transição vítrea (Tg) para valores mais altos, provavelmente favorecidos pelo movimento das cadeias poliméricas. A rede neural artificial evidenciou uma excelente concordância entre os valores treinados e experimentais. A previsão de vida útil em longo prazo usando curvas mestres confirma que este novo material pode ser considerado para fins de amortecimento acústico ou vibracional, considerando seu uso em temperaturas abaixo de Tg.
     

  • Mostrar Abstract
  • This study is focused on the assessment of the mechanical performance and the failure mechanisms of composites based on a liquid thermoplastic resin under several loading conditions compared to epoxy-based composites. Composite laminates reinforced by carbon fibers were manufactured by VARTM (Vacuum-assisted resin transfer molding ). The composites were subjected to mode II loading conditions in order to verify its damage tolerance. In this case, the thermoplastic composites presented 40 % more resistance to interlaminar fracture in comparison to epoxy composites. These materials obtained superior performance in crack propagation resistance because it tends to absorb the energy associated with crack propagation in the form of plastic deformation in comparison to epoxy composites. Tensile strength and in-plane shear tests were also performed to evaluate both materials response in non-conditioned and conditioned samples. The thermoplastic composites presented 30 % more tensile resistance in comparison to epoxy composites. For conditioned specimens, this difference was 14%. These results were related to plasticization which tends to favor the polymer softening providing a greater matrix plastic deformation, promoting a ductile fracture of the composite. On the other hand, the in-plane shear properties were 30 % higher for the thermosetting laminates for both conditions. In this case, moisture may have favored the formation of surface cracks and weakened the fiber/matrix interfacial adhesion. Additional analysis based on the design of experiments has shown that the Elium® 150 resin significantly affects all responses and presented in fact a better behavior in comparison to epoxy resin. While the conditioning effects have featured a statistically noticeable contribution to the tensile strength, the presence of the moisture did not provide a significant enhancement to the in-plane shear strength. The analysis based on accelerated test methodology of Carbon Fiber/Elium® 150 composites shows that the high frequencies increase the glass transition (Tg) to higher values probably favored by polymer chains movement. The artificial neural network evidenced an excellent agreement between the trained and experimental values. The long-term life prediction using master curves confirms that this new material can be considered to acoustic or vibrational damping purposes, considering its use in temperatures below Tg.

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  • RUDY PÉREZ HERRERA
  • Simulação numérica em CFD de uma câmara de combustão ciclônica para a queima de biomassas de cana-de-açucar pulverizadas

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLOS MANUEL ROMERO LUNA
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • FAGNER LUIS GOULART DIAS
  • JOAO ANDRADE DE CARVALHO JUNIOR
  • JUAN JOSE GARCIA PABON
  • MARCO ANTONIO ROSA DO NASCIMENTO
  • Data: 23/04/2020

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  • Os produtos secundários gerados no processamento da cana-de-açúcar, que até poucos anos atrás foram majoritariamente descartados, na atualidade têm-se tornado potenciais recursos energéticos para à geração de energia elétrica. Porém, o aproveitamento desses recursos renováveis disponíveis demanda tecnologias mais eficientes para a transformação desses recursos em energia térmica, e posteriormente em energia elétrica. Com esse objetivo a empresa Brayton Energy projetou uma câmara de combustão ciclônica como um componente fundamental de uma turbina a gás, com queima externa ou ciclo EFGT capaz de gerar 900 kWe de energia elétrica utilizando como combustível diferentes biomassas pulverizadas. Essa câmara de combustão ciclônica foi estudada neste trabalho através de simulações numéricas computacionais realizadas em ANSYS FLUENT, e utilizando bagaço de cana-de-açúcar pulverizado como combustível para avaliar o projeto da fluidodinâmica e o desempenho da combustão das partículas do bagaço dentro da câmara. As simulações foram realizadas utilizando os modelos de turbulência RMS, RNG k-ε, SST k-ω e Realizable k-ε. O modelo de transporte de espécies foi utilizado para a combustão e escolheu-se a FinitRate/Eddy Dissipation para a iteração das reações químicas com a turbulência. Foi utilizado também o modelo de Fase Discreta (DPM) para o rastreamento das partículas combustíveis e o modelo de Ordenadas Discreta para o modelo de radiação. Os resultados das simulações não reativas da câmara ciclônica mostram os campos de velocidade e as zonas de recirculação dentro da câmara, o que permite avaliar a fluidodinâmica do projeto da câmara. Já os resultados das simulações reativas mostram a distribuição de temperatura e dos produtos da combustão dentro da câmara ciclônica, e fornecem informação de parâmetros de combustão como a temperatura, massa, tempo de residência e porcentagem de queima das partículas de bagaço ao longo da suas trajetórias pela câmara de combustão.


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  • The Secondary products generated in the processing of sugarcane; that until a few years ago were mostly discarded, nowadays they have become potential energy resources for the generation of electric energy. However, the use of these available renewable resources requires more efficient technologies for the transformation into thermal energy, and later into electrical energy. With this objective, the company Brayton Energy designed a cyclonic combustion chamber as a fundamental component of a externally fired gas turbine, or EFGT cycle capable of generating 900 kWe of electric energy using different pulverized biomasses as fuel. This cyclonic combustion chamber was studied in this work through numerical computer simulations performed in ANSYS FLUENT, and using pulverized sugar cane bagasse as fuel, to evaluate the fluid dynamics design and the combustion performance of the bagasse particles inside the chamber. The simulations were performed using the turbulence models RMS, RNG k-ε, SST k-ω and Realizable k-ε. The species transport model was used for the combustion and the Finite Rate/Eddy Dissipation was chosen for the iteration of chemical reactions with turbulence. The Discrete Phase Model (DPM) was also used for the tracking of combustible particles and the Discrete Ordinate model for the radiation model. The results of the non-reactive simulations of the cyclonic chamber show the velocity fields and the recirculation zones inside the chamber, which allows to evaluate the fluid dynamics of the chamber design. In addition, the results of the reactive simulations show the distribution of temperature and combustion products within the cyclonic chamber, and provide information on combustion parameters such as temperature, mass, residence time and percentage of burning of bagasse particles along their trajectories through the combustion chamber.

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  • NELSON JOSE DIAZ GAUTIER
  • Algoritmo de Otimização Multi-Objetivo Assistida por Metamodelagem com Aplicações em Problemas de Aerodinâmica

  • Orientador : NELSON MANZANARES FILHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO MARCOS GONCALVES DE LIMA
  • EDNA RAIMUNDA DA SILVA
  • JESUS ANTONIO GARCIA SANCHEZ
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • NEY RAFAEL SÊCO
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • Data: 30/04/2020

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  • Os algoritmos de otimização multi-objetivo comumente usados em projetos reais de engenharia são baseados em estratégias evolutivas que requerem frequentemente um grande número de avaliações das funções objetivo para atingir uma boa aproximação da frente de Pareto. Quando esses algoritmos são usados para resolver um problema de otimização real de engenharia, em que as funções objetivo são computacionalmente custosas, o tempo necessário para atingir a convergência pode ser proibitivo. Nesse sentido, o foco desta pesquisa foi desenvolver um algoritmo de otimização multi-objetivo, acoplado a uma estratégia de metamodelagem, para aprimorar os processos de otimização em problemas de engenharia. O algoritmo foi desenvolvido com base na construção de metamodelos usando funções de base radial para aproximar as funções computacionalmente custosas. Esses metamodelos são otimizados num processo de amostragem iterativo para obter novos pontos no espaço de decisão, com os quais as próximas avaliações das funções custosas devem ser feitas. Além de poder aplicar-se a problemas multi-objetivo, a estratégia desenvolvida faz com que o algoritmo derive para o algoritmo CORS, no caso de problemas mono-objetivo. Os resultados mostraram um desempenho muito satisfatório do algoritmo desenvolvido quando aplicado, tanto nos problemas de teste selecionados quanto em problemas específicos de engenharia relacionados ao projeto otimizado de pás de turbinas eólicas, otimização aerodinâmica da geometria de asas e projeto otimizado de grades lineares de máquinas de fluxo axiais. Na maioria dos casos, o número de avaliações das funções custosas usadas pelo algoritmo desenvolvido baseado em técnicas de metamodelagem, foi pelo menos três vezes menor do que as empregadas pela aplicação direta de um algoritmo de otimização multi-objetivo até atingir a convergência com valores médios semelhantes das métricas de cobertura e diversidade da frente de Pareto.


  • Mostrar Abstract
  • The multi-objective optimization algorithms commonly used in real engineering designs are based on evolutionary strategies. These algorithms often require a large number of evaluations of the objective function to achieve a good approximation of the Pareto front. In the case in which these algorithms are used to solve a real engineering optimization problem, which usually has computationally expensive objective functions, the time required to achieve convergence can be some time unfeasible. In this sense, the focus of this research was to develop a multi-objective optimization algorithm, based on a metamodeling strategy, to improve the optimization processes in engineering problems. The algorithm was developed, based on metamodel construction using radial based functions, to approximate the computationally expensive functions. These metamodels are optimized in an iterative sampling process to obtain new points in the decision space, with which the next expensive function evaluations must be made. In addition to being able to apply to multi-objective problems, the results showed a very satisfactory performance of the developed algorithm when applied to the select test problems chosen herein and in three real engineering problems: optimized design of wind turbine blades, aerodynamic optimization of wing geometry, and optimized design of linear cascades of axial flow machines. In most cases, the number of evaluations of expensive functions used by the developed algorithm was at least 3 times less than the expensive function evaluation employed, during the direct application of the evolutionary multi-objective optimization algorithm to achieve convergence with similar average values of coverage and diversity metrics of Pareto front.

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  • BRUNO DE CAMPOS SALLES ANSELMO
  • Análise da Transferência de Calor por Convecção Natural em Dissipadores de Calor Usando Planejamento de Experimentos

  • Orientador : SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOAO ROBERTO FERREIRA
  • LUIS FELIPE DOS SANTOS CAROLLO
  • MARCELO JOSE PIRANI
  • ROBSON BRUNO DUTRA PEREIRA
  • SANDRO METREVELLE MARCONDES DE LIMA E SILVA
  • Data: 07/10/2020

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  • Dissipadores de calor são dispositivos capazes de promover uma melhora na temperatura de operação de diversos equipamentos. O planejamento de experimentos (DOE – Design of Experiments) foi utilizado para realização dos testes e posterior análise estatística dos dados. Foram realizados experimentos para obtenção da distribuição de temperaturas nos dissipadores. Foi realizado o cálculo da perda de calor por radiação considerando o fator de forma das aletas. Análises experimentais e teóricas foram realizadas para obtenção do coeficiente médio de transferência de calor por convecção h ̅, bem como para obtenção da resistência térmica de convecção. Foram feitos testes com dissipadores de diferentes geometrias, que no caso foram considerados como fatores, tais como a altura (7 mm e 20 mm), espaçamento (5,55 mm e 14,35 mm) e comprimento da base (50 mm e 100 mm) além de um dissipador com base de dimensões 75 mm x 75 mm. Os testes foram feitos nas posições horizontal e vertical, com variações do fluxo de calor aplicados nas bases do dissipador em 800 W/m2, 1600 W/m2 e 1200 W/m2. Com a utilização do DOE e suas ferramentas, diferentes análises foram feitas com dados experimentais envolvendo o coeficiente h ̅, a resistência térmica de convecção R_t, os parâmetros geométricos, além do fluxo de calor aplicado na base e o posicionamento dos dissipadores. Foram feitas comparações envolvendo o calor perdido por radiação levando-se em conta o fator de forma das aletas. Por último, foram realizadas análises estatísticas, buscando conhecer o comportamento da R_t e sua variação de acordo com as geometrias dos dissipadores e dos fluxos aplicados. Com os resultados obtidos pôde-se concluir que os dissipadores ensaiados na vertical possuem melhor desempenho quando comparados aos testes na horizontal. A inclusão do fator de forma é de suma importância no estudo da troca de calor por radiação entre as aletas. A R_t, por ser influenciada pela área sob convecção e pelo coeficiente h ̅, se comporta de diferentes maneiras dependendo da geometria e posição dos dissipadores. Foi possível observar uma grande contribuição do DOE para análise estatística da resistência térmica convectiva.


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  • Heat sinks are devices capable of improving the operating temperature of a wide range of equipment. Design of Experiments (DOE) was used for experiments and subsequent statistical data analysis. Experiments were carried out to obtain the distribution of temperatures in the heatsinks. The calculation of heat loss by radiation was performed considering the view factor of the heat sink fins. Tests were made with heatsinks of different geometries, which in this case were considered as factors, such as height (7 mm and 20 mm), spacing (5.55 mm and 14.35 mm) and base length (50 mm and 100 mm) in addition to a heatsink with a 75 mm x 75 mm base. The tests were performed in horizontal and vertical positions, with variations in the calorie flow at the base. Heat flux variations were applied to the heat sink bases of 800 W/m2, 1600 W/m2 and 1200 W/m2. Analyzes were accomplished with experimental data involving the coefficient h ̅, the convection thermal resistance, the geometric parameters (height, spacing and base dimensions) in addition to the heat flux applied to the base and the positioning of the heat sinks. Comparisons of heat lost by radiation were made by taking into account the view factor of the fins. Finally, statistical analyses were conducted, seeking to know the behavior of the convective thermal resistance and its variation according to the geometries of the heat sinks and applied heat flux. With the results obtained it was concluded that the heat sinks tested on the vertical position have better performance when compared to those on the horizontal position. The inclusion of the view factor is of paramount importance in the study of heat exchange by radiation between the fins. R_t may be influenced by the area under convection and the coefficient h ̅ and R_t behaves in different ways depending on the geometry and position of the heat sinks. It was possible to observe a great contribution from DOE for the statistical analysis of convective thermal resistance.

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  • GERMÁN RAÚL CHUMPITAZ AYALA
  • Simulação fluidodinâmica, projeto e construção de uma câmara de combustão flameless de 20 kW para uma mistura de óleo pirolítico de pneu usado e Diesel S10

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • CLAUDIA GONÇALVES DE AZEVEDO
  • ELY VIEIRA CORTEZ
  • FAGNER LUIS GOULART DIAS
  • JOAO ANDRADE DE CARVALHO JUNIOR
  • MARCO ANTONIO ROSA DO NASCIMENTO
  • Data: 07/12/2020

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  • Atualmente processos de combustão representam a maior quantidade de energia gerada no mundo, energia utilizada para sustentar o estilo de vida atual. Devido a isto ela é também uma importante fonte de poluentes que fomentam os principais problemas ambientais contemporâneos. Com o decorrer do tempo devido a sua importância, a pesquisa no aprimoramento dos processos de combustão tem sido conduzida em vários âmbitos como, por exemplo, a melhora do rendimento e o emprego de novos tipos de combustíveis. Dentro das novas tecnologias utilizadas, a combustão sem chama (flameless combustion), oferece basicamente um bom rendimento com uma baixa emissão de NOx e CO, sendo pesquisada amplamente com combustíveis gasosos. A utilização de combustíveis líquidos e sólidos vem sendo explorada nos últimos anos ainda em forma limitada, comparada aos combustíveis gasosos. Nesta tese, foi projetada e construída uma câmara de combustão que trabalha em regime de combustão sem chama, utilizando combustíveis líquidos não tradicionais (Óleo Pirolítico de pneu usado) e diesel. Para isto foi projetado um injetor efervescente para garantir a atomização e vaporização dentro da câmara. Um modelo de simulação computacional foi criado e validado utilizando o software comercial Fluent/ANSYS® Academic Student 2019 R2 para determinar numericamente as condições nas quais se desenvolveria a combustão sem chama utilizando diesel S-10. Os resultados das simulações foram comparados com trabalhos realizados em câmaras flameless de geometria similar observando-se os resultados das temperaturas e os padrões de recirculação interna (linhas de corrente) dos gases queimados. As melhores condições de recirculação e de homogeneidade das temperaturas foram obtidas para coeficientes de excesso de ar (λ) superiores a 1,2. Com os resultados da simulação fluidodinâmica, foram projetados e construídos um injetor do tipo efervescente e uma câmara de combustão de pequeno porte para uma potência de até 20kW. Esta câmara foi testada com Diesel S-10 e com misturas de Diesel S-10 e TPO (tyre pyrolysis oil) em concentrações mássicas de: 98% Diesel S-10 & 2% TPO, 95% Diesel S-10 & 5 % TPO e 90% Diesel S-10 & 10 % TPO. Os testes realizados resultaram na obtenção do regime de combustão sem chama (flameless) com a extinção da chama tradicional, homogeneização das temperaturas dentro da câmara e a redução das emissões de gases NOx.


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  • Currently combustion processes represent the largest amount of energy generated in the world, energy used to sustain the current lifestyle, therefore it is also an important source of pollutants that promote the main contemporary environmental problems. Over time, due to its importance, researches regarding the improvement of combustion processes have been conducted in a variety of fields, such as yield improvement and use of new types of fuels. Among the new technologies used, flameless combustion offers basically a good yield combined to low emission of NOx and CO, and it is researched widely with gaseous fuels. The use of liquid and solid fuels has still been explored in the last years in a limited form, comparing with gaseous fuels. In this thesis, a combustion chamber was designed and built operating in a flameless combustion regime using non-traditional liquid fuels (waste tire Pyrolitic Oil) and diesel, for this purpose an effervescent injector was designed to guarantee the atomization inside the chamber. A computational simulation model was created and validated using the commercial Fluent/ANSYS® Academic Student 2019 R2 software to numerically determine the conditions under which flameless combustion using S-10 diesel would take place. The simulation results were compared to experiments performed in flameless chambers of similar geometry observing the results of the temperatures and the internal recirculation patterns (current lines) of the burned gases. The best recirculation conditions and temperature homogeneity were obtained for coefficients of excess air (λ) higher than 1.2. From the results of the fluid dynamics simulation, an effervescent type injector and a small combustion chamber, designed to work with up to 20kW, were designed and built. This chamber was tested with S-10 Diesel and with mixtures of S-10 Diesel and TPO (tyre pyrolysis oil) in mixtures of: 98% S-10 Diesel & 2% TPO, 95% S-10 Diesel & 5% TPO and 90% S-10 Diesel & 10% TPO. The carried out tests resulted in obtaining the flameless combustion regime with the extinction of the traditional flame, besides homogenization of temperatures within the chamber and a drop in NOx gas emissions.

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  • AMAURI ERNESTO GOMES
  • Estudo de concreto autoadensável aplicado à bases de máquinas-ferramenta

  • Orientador : MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANDRESSA FERNANDA ANGELIN
  • CARLOS BARREIRA MARTINEZ
  • LUISA ANDREIA GACHET BARBOSA
  • MARIA RACHEL DE ARAUJO RUSSO
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • REGINA MAMBELI BARROS
  • WISLEI RIUPER RAMOS OSORIO
  • Data: 11/12/2020

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  • As bases de máquinas-ferramenta são tradicionalmente construídas com ferro fundido e aço, possuindo como desvantagem, o baixo amortecimento. Em um primeiro momento, nesta pesquisa de forma inovadora, estuda-se um material alternativo aos tradicionais, e sua aplicação na fabricação das bases de máquinas-ferramenta. Esse compósito cimentício é formado pelo concreto autoadensável (CAA) armado com fibras de aço, contendo resíduos de borracha e resíduos de mármore e granito. Sabe-se que um dos maiores problemas de rigidez dinâmica na construção dessas bases, é a taxa de amortecimento. Diante disso, no presente trabalho discutem-se os níveis crescentes de resíduos de borracha na mistura do concreto, indicando uma melhor capacidade do concreto em absorver energia, mostrando-se um bom material alternativo utilizado na fabricação dessas bases. Vale ressaltar que, com a incorporação da borracha no concreto, a microestrutura apresentou um maior número de vazios e, consequentemente, houve perda de resistência mecânica. Para mitigar essa redução, foram incorporados resíduos de mármore e granito na mistura, pois, estes finos preenchem os poros, aumentam o empacotamento das partículas, evitam a redução da resistência e o aumento da permeabilidade do concreto. A microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para observação da microestrutura resultante. Foram desenvolvidos seis traços de concreto, realizados ensaios de caracterização física dos materiais e avaliados os comportamentos dos concretos tanto no estado fresco como no estado endurecido. Nos ensaios executados no estado fresco dos concretos avaliaram-se: trabalhabilidade, viscosidade plástica, estabilidade visual e habilidade passante. No estado endurecido dos concretos, foram analisadas as propriedades: resistências à compressão e à tração, fator de amortecimento, módulo de elasticidade estático e dinâmico. A massa específica também foi verificada no estado fresco e endurecido. Analisando os dados, nota-se que a taxa de amortecimento aumentou mais de 46% em relação aos materiais usuais empregados na fabricação de bases de máquinas-ferramenta, e que todas as composições de CAA estudadas foram classificadas como concreto estrutural segundo a ABNT NBR 8953 (ABNT, 2015a). Vale destacar os benefícios ambientais decorrentes do reaproveitamento desses materiais na produção do concreto, que de outra forma, provavelmente seriam descartados em aterros de resíduos sólidos da construção civil classe A e de resíduos inertes.


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  • Machine tool bases are traditionally manufactured with cast iron and steel, with a low damping disadvantage. At first, in this research as an innovative way, an alternative material to traditional ones, and their application in the manufacture of machine tool bases are investigated. This cementitious composite is formed by a steel fibers-reinforced self-compacting concrete (SCC), containing both rubber and marble and granite residue contents. It is known that one of the biggest drawback of dynamic rigidity in the construction of these bases, is the damping rate. In view of this, in this present work the increasing levels of rubber residues in the concrete mixture, is discussed. Also, is indicated a better ability of the concrete to absorb energy, evidencing a good alternative material to be used in the manufacture of these bases. It is worth noted that, with the incorporation of rubber in the concrete, the microstructure has a greater number of voids and, consequently, a loss of mechanical strength is provided. In order to mitigate this reduction, the marble and granite residues are incorporated. These fines fill the pores, increase the packaging of the particles, is increased and concrete strengh is decreased, while the permeability is incresead. A scanning electron microscope is used in order to observe the resulting microstructural array. Six concrete mix are developed, and physical material characterization tests are carried out and fresh and hardened states are evaluated. The fresh properties of the concretes are: workability, plastic viscosity, visual stability and passing ability. The hardened properties are: compressive strength, tensile strength, damping factor, static and dynamic moduli of elasticity. The specific gravity is also checked for both the fresh and hardened states. Analyzing the data, it is noted that the damping rate is increased more than 46% in relation to the usual materials used in the manufacture of machine tool bases. Additionally all studied CAA compositions are classified as structural concrete according to ABNT NBR 8953 (ABNT, 2015a). It is worth noted the environmental benefits resulting from the reuse of these materials in the production of concrete, which will probably be disposed into landfills for class A civil construction and inert waste.

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  • MARCOS ANDRE DE OLIVEIRA
  • Desenvolvimento de um Modelo de Rugosidade para a Simulação Numérica Paralela do Escoamento ao redor de um Corpo Rombudo

     
     
  • Orientador : LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GUSTAVO CESAR RACHID BODSTEIN
  • ALEX MENDONÇA BIMBATO
  • LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • MARCELO SANTIAGO DE SOUSA
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • Data: 16/12/2020

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  • Existem duas técnicas para controle do comportamento destrutivo da esteira e do desprendimento de estruturas vorticosas atrás de corpos rombudos. Na primeira está o método ativo, que necessita de alguma fonte externa de energia para controle do escoamento. Na segunda está o método passivo, que se caracteriza pela modificação da geometria do corpo. Assim, a combinação da rugosidade superficial de um corpo (controle passivo) e a aproximação desse corpo de uma superfície plana horizontal móvel (controle ativo) foi recentemente classificada como uma “técnica de controle híbrido de desprendimento e supressão de vórtices”, durante o desenvolvimento desta Tese de Doutorado. Contudo, é relatado na literatura que algumas restrições impostas pelos atuais modelos de rugosidade necessitam ser superadas. Além do mais, há escassez de resultados na literatura para combinação dos efeitos de rugosidade e solo. E para certas condições de escoamento, são muito raros os resultados de uma terceira sobreposição, que seria o efeito de vibração estrutural do corpo induzida pelo desprendimento de vórtices. Principalmente, se são considerados altos números de Reynolds de interesse prático. Nesta Tese de Doutorado é concebido e desenvolvido um novo modelo de rugosidade, que é integrado ao Método de Vórtices Discretos que já apresenta uma adaptação com a inclusão de um modelo de turbulência de Simulação de Grandes Escalas. Com essa contribuição, simulações e investigações do efeito da rugosidade superficial de um cilindro bidimensional no controle do desprendimento de vórtices deste, são realizadas para escoamentos em uma ampla faixa de altos números de Reynolds. Outras configurações de escoamentos são também simuladas para testar a sensibilidade do método computacional. A programação paralela no padrão OpenMP é implementada para redução do tempo de processamento final. O novo modelo de rugosidade foi implementado com sucesso, e foi nomeado de Modelo Lagrangeano Dinâmico de Rugosidade – MLDRVL. Os regimes de formação de vórtices a jusante do corpo e a redução da força de arrasto foram mapeados em concordância com a física do problema. A crise do arrasto foi capturada e investigada para oito diferentes superfícies do cilindro, incluindo escoamentos nos regimes crítico e supercrítico, os quais apresentam maior dificuldade para serem numericamente simulados. Particularmente, os resultados para o coeficiente de arrasto apresentam boa aproximação aos valores obtidos experimentalmente. Sendo que o método desenvolvido foi capaz de capturar, inclusive, a chamada bolha de separação, que é um fenômeno de difícil reprodução, tanto por simulação numérica como por investigação experimental. A rugosidade superficial do cilindro isolado de outras fronteiras sólidas foi capaz de reduzir em até 51,6% o coeficiente de arrasto, em comparação com uma superfície lisa nas mesmas condições de escoamento. A aplicação da técnica híbrida de controle de desprendimento de vórtices permitiu reduções do coeficiente de arrasto da ordem de 45,4% para o cilindro estacionário e de 57,7% para o cilindro vibrando na direção longitudinal ao escoamento incidente. Por fim, a programação paralela permitiu significativa redução no tempo de processamento de uma simulação típica, em torno de 67% em média.


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  • There are two groups of methods to control wake destructive behavior and vortex shedding behind bluff bodies. The first one is the active method, where an external source of energy is needed to control the flow. The second one is the passive method, which is characterized by the modification of the body's geometry. Thus, the combination of the surface roughness of a body (passive control) and the approximation of that body to a moving horizontal flat surface (active control) was recently classified as a “hybrid control technique of vortex shedding and suppression”, during the development of this Doctoral Thesis. However, it is reported in the literature that some restrictions imposed by the current roughness models need to be overcome. Furthermore, there are few results in the literature combining both effects of surface roughness and ground plane. And for certain flow conditions, the results of a third overlap, which would be the effect of structural vibration of the body induced by the vortex shedding, are very rare. Especially if high numbers of Reynolds of practical interest are considered. In this Doctoral Thesis, a new roughness model is designed and developed, which is integrated with the Discrete Vortex Method, which already has an adaptation with the inclusion of a Large Eddy Simulation turbulence model. With this contribution, simulations and investigations of the effect of the surface roughness of a two-dimensional circular cylinder in the control of vortex shedding of it are performed for flows in a wide range of high Reynolds numbers. Other flow configurations are also simulated to test the sensitivity of the computational method. Parallel programming in the OpenMP standard is implemented to reduce the final processing time. The new roughness model was successfully implemented and was named the Lagrangian Dynamic Roughness Model – MLDRVL. The vortex formation regimes downstream of the body and the reduction of the drag force were mapped in accordance with the physics of the problem. The drag crisis was captured and investigated for 8 different surfaces of the circular cylinder, including flows in the critical and supercritical regimes which have greater difficulty in being numerically simulated. In particular, the results for the drag coefficient show a good approximation to the values obtained experimentally. The developed method was able to capture, even, the so-called separation bubble, which is a phenomenon that is difficult to reproduce, both by numerical simulation and by experimental investigation. The surface roughness of the circular cylinder isolated from other solid boundaries was able to reduce the drag coefficient by up to 51.6% compared to a smooth surface under the same flow conditions. The application of the hybrid control technique of vortex shedding allowed the drag coefficient to be reduced by 45.4% for the stationary circular cylinder and 57.7% for the circular cylinder vibrating in-line with the incident flow. Finally, parallel programming allowed a significant reduction in the processing time of a typical simulation, around 67% on average.

2019
Dissertações
1
  • RODRIGO YUGI IKUTA TOBISAWA
  • SIMULACÃO NUMERICA DE EFEITOS TERMICOS SOBRE VIBRAÇÕES INDUZIDAS POR VORTICES  UTILIZANDO UM METODO DE PARTICULAS DE TEMPERATURA LAGRANGEANO.

  • Orientador : LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEX MENDONÇA BIMBATO
  • LUIZ ANTONIO ALCANTARA PEREIRA
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • Data: 26/04/2019

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  • O efeito de empuxo e um mecanismo natural de controle de separac~ao da camada limite
    ao redor de um corpo rombudo. Na literatura esta tecnica e classi cada como ativa; os metodos ativos requerem energia externa para afetar o escoamento de um fluido. Este trabalho tem como objetivo, atraves de simulac~oes numericas, estudar a inu^encia do uso de vibraçõoes forcadas combinadas com efeitos termicos para controlar os padrõoes de esteira e a frequ^encia de desprendimento de vortices a jusante de um cilindro oscilando transversalmente ao escoamento incidente. A abordagem numerica utiliza um metodo de partculas puramente Lagrangeano em associac~ao a um metodo de paineis do tipo fonte e a uma formulac~ao integral derivada da equac~ao de Poisson para press~ao. O cilindro aquecido e forcado a oscilar longe do solo, de forma a não se considerar o efeito solo. Ao introduzir forca de empuxo na regi~ao proxima a esteira devido ao aquecimento do cilindro oscilando forcadamente, o fen^omeno lock-in permaneceu insensvel, e ha uma tendência de dessincronizacão quando o numero de Richardson, que representa a raz~ao entre a convecc~ao natural e a convecção forcada, e superior a Ri = 1. A reduc~ao de 40% do arrasto foi obtida para um elevado numero de Richardson e o ponto de separação da camada limite se move a jusante do corpo, com um angulo aproximado de 123o. Os resultados numericos são bastante encorajadores para a inclus~ao de outros efeitos de interferência ao problema.


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  • O efeito de empuxo e um mecanismo natural de controle de separac~ao da camada limite
    ao redor de um corpo rombudo. Na literatura esta tecnica e classi cada como ativa; os metodos ativos requerem energia externa para afetar o escoamento de um fluido. Este trabalho tem como objetivo, atraves de simulac~oes numericas, estudar a inu^encia do uso de vibraçõoes forcadas combinadas com efeitos termicos para controlar os padrõoes de esteira e a frequ^encia de desprendimento de vortices a jusante de um cilindro oscilando transversalmente ao escoamento incidente. A abordagem numerica utiliza um metodo de partculas puramente Lagrangeano em associac~ao a um metodo de paineis do tipo fonte e a uma formulac~ao integral derivada da equac~ao de Poisson para press~ao. O cilindro aquecido e forcado a oscilar longe do solo, de forma a n~ao se considerar o efeito solo. Ao introduzir forca de empuxo na regi~ao proxima a esteira devido ao aquecimento do cilindro oscilando forcadamente, o fen^omeno lock-in permaneceu insensvel, e ha uma tendência de dessincronizacão quando o numero de Richardson, que representa a raz~ao entre a convecc~ao natural e a convecc~ao forcada, e superior a Ri = 1. A reduc~ao de 40% do arrasto foi obtida para um elevado numero de Richardson e o ponto de separação da camada limite se move a jusante do corpo, com um angulo aproximado de 123o. Os resultados numericos são bastante encorajadores para a inclus~ao de outros efeitos de interferência ao problema.

2
  • GUSTAVO FERREIRA RABÊLO GARCIA
  • ESTUDO DO TORNEAMENTO DA LIGA DE ALUMÍNIO 7075-T6, UTILIZANDO FERRAMENTAS COM E SEM REVESTIMENTO

  • Orientador : JOAO ROBERTO FERREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOAO ROBERTO FERREIRA
  • EDMILSON OTONI CORREA
  • CARLOS ALBERTO CARVALHO CASTRO
  • WANDERLEY XAVIER PEREIRA
  • Data: 07/05/2019

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  • O uso do alumínio nas mais diferentes áreas de fabricação é uma tendência, justificada pela ampla gama de propriedades de suas ligas, além da relativa facilidade de sua conformação; dentre elas, a liga de alumínio-zinco, 7075-T6, se destaca por sua combinação de baixa densidade com boa dureza e resistência à corrosão. A princípio de uso aeronáutico, essa liga tem sido empregada para diversas atividades, desde estrutural até moldes de injeção de plástico. Portanto, é justificável que os processos de usinagem da mesma sejam mais estudados e compreendidos. Nesse contexto, este trabalho propõe o estudo do torneamento da liga 7075-T6, por meio de uma análise baseada em Projeto de Experimentos das variáveis explicativas Velocidade de Corte (Vc), Avanço (f) e Profundidade de Corte (ap) sobre as respostas Rugosidade Média (Ra) e Vibração (Sentidos de Corte e de Avanço), utilizando ferramentas de metal duro revestido e sem revestimento, com geometria idêntica. Os resultados mostram que o inserto revestido gerou piores valores de rugosidade, se comparados aos valores obtidos com o inserto sem revestimento. Observou-se, também, maior desgaste do inserto revestido, o que poderia indicar reação entre os elementos do revestimento com o alumínio. Ademais, observou-se que o Avanço (f) da ferramenta influenciou significativamente na rugosidade da superfície torneada, havendo certo grau de correlação desta com a vibração no sentido de corte. Finalmente, verificou-se que a vibração, apesar de influenciada pelas três variáveis explicativas, sofre influência de outros fatores não previstos no estudo.



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  • The use of aluminum in the most varied industries areas is a trend, justified by the range of properties of his alloys, besides the relative ease of their conformation; among them is the aluminum-zinc alloy Al 7075-T6, that stands out for its combination of density with good hardness and resistance to corrosion. Made in principle for aeronautical use, that alloy has been used for various activities, from structurals to plastic injection molds. Therefore, it is justifiable that the machining processes of this alloy must be more studied and understood. In this context, this work proposes the study of the Al 7075-T6 alloy turning, through an analysis based on Design of Experiments of the explanatory variables Cutting Speed (Vc), Feed (f) and Depth of Cut (ap) on the responses Roughness average (Ra) and Vibration (Cutting and Feed Direction) using coated and uncoated carbide tools with the same geometry. The results show that the coated insert gave slightly inferior surface roughness values when compared to the values obtained with the uncoated insert. It was also observed a bigger tool wear of the coated insert, which could indicate reaction between the elements of the coating with the aluminum. Therefore, it was observed that the Feed rate had a statistical significance influence on the surface roughness, and it was a significant relationship between roughness and cutting direction vibration. Finally, it was verified that the vibration, although influenced by the three explanatory variables, is influenced by other factors not foreseen in the study.

3
  • THIAGO JUNQUEIRA REZEK
  • Metodologia de Projeto Hidrodinâmico de Turbinas Hidrocinéticas Carenadas Baseada na Otimização e Simulação em Dinâmica dos Fluidos Computacional

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • WALDIR DE OLIVEIRA
  • ANDRE LUIZ AMARANTE MESQUITA
  • Data: 17/06/2019

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  • Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto de turbinas hidrocinéticas carenadas baseada na integração entre processos computacionais envolvendo geração de malha, simulação fluidodinâmica e otimização.
    A metodologia foi dividida em duas partes, sendo a primeira responsável por fornecer  a geometria do difusor, do canal meridional e os parâmetros para o pré-projeto do rotor através de uma abordagem simplificada do problema e a segunda responsável pelo projeto hidrodinâmico do rotor a partir dos dados obtidos na primeira fase.
    A primeira parte foi executada considerando condição de simetria axial do escoamento e modelando o rotor por um disco atuador que cria um salto de pressão no interior da máquina. Essa fase teve os processos de geração de geometria, malha e simulação computacional automatizadas e integradas por meio de um algoritmo de otimização (simulated annealing), permitindo obter o melhor conjunto de variáveis de projeto, com o objetivo de maximizar a potência hidráulica.
    A segunda parte da metodologia envolve o projeto do rotor a partir das grandezas resultantes do processo de otimização que gerou o projeto preliminar (vazão e variação de pressão total). O rotor foi projetado com base na teoria da asa de sustentação com condição de equilíbrio radial de vórtice livre. A partir do projeto do rotor, foi possível modelar a geometria da máquina completa e simular o funcionamento a partir de uma análise tridimensional em dinâmica dos fluidos computacional. Esse procedimento gerou como resultados as curvas de comportamento da máquina, revelando um coeficiente de potência máximo de
    aproximadamente 0,8 (com relação à área do rotor) muito próximo ao ponto de projeto.


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  • This work presents a design methodology for diffuser-augmented hydrokinetic
    turbines based on the integration of computational processes involving mesh generation,
    fluid-dynamics simulation and optimization.
    The methodology is divided in two main parts: the first one is responsible to provide
    the diffuser geometry and the parameters for the preliminary project through a simplified
    approach of the problem. The second part is responsible for the hydrodynamic design of the
    runner from the data obtained in the first part.
    The first part has been developed by considering the condition of axial symmetry of
    the flow and modeling the runner through an actuator disk which creates a pressure drop
    inside the machine. This phase has been executed by the integration and automation of the
    geometry and mesh generation process and the fluid dynamics simulation through an
    optimization algorithm (Simulated Annealing), in order to obtain the best set of design
    variables to maximize the hydraulic power.
    The second part of the methodology involves the runner project from the parameters
    obtained from the first part (flow rate and pressure drop). The runner has been designed based
    on the lift theory with the radial equilibrium condition for a free vortex flow. Through the
    runner project, it was possible to model the machine and simulate its behavior through a
    complete tridimensional computational fluid dynamics analysis. This analysis has been
    capable of obtaining the machine’s characteristic curves, which revealed a 0,8 power
    coefficient (based on the runner’s area), obtained very near the design point.
    Keywords: Diffuser-Augmented Hydrokinetic Turbine, Optimization, Axial Runner,
    Diffuser, Power Coefficient, Turbomachinery, Computational Fluid Dynamics.

4
  • MATHEUS HIPOLITO ALMEIDA TORNELI
  • SIMULAÇÃO DO CONTÍNUO PELA OTIMIZAÇÃO DE ESTRUTURAS DE TRELIÇA REPETITIVAS USANDO O MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS ESCRITO EM FUNÇÃO DAS POSIÇÕES DOS NÓS

  • Orientador : ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • AREF KALILO LIMA KZAM
  • JESUS ANTONIO GARCIA SANCHEZ
  • NELSON MANZANARES FILHO
  • OSCAR JAVIER BEGAMBRE CARRILLO
  • Data: 27/06/2019

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  • Em muitas aplicações é necessário projetar, de forma controlada, as propriedades mecânicas dos materiais utilizados. Exemplos disso são encontrados nas aplicações biomecânicas (próteses, implantes, entre outras), onde a quantidade de materiais que podem ser utilizados é limitada. Adicionalmente, estes materiais possuem propriedades mecânicas muito diferentes das encontradas nos materiais componentes das estruturas naturais do corpo. Tais diferenças acabam ocasionando desconforto, dor e inclusive desgaste nas articulações. Assim, a possibilidade de projetar as propriedades mecânicas das estruturas, amplia e melhora as aplicações, permitindo um controle maior nas mesmas. Motivado pela evolução dos materiais arquitetados – Metamateriais - e com a evolução das técnicas de manufatura aditiva, neste trabalho foram desenvolvidas estruturas de treliça repetitivas com comportamento mecânico controlado. Os metamateriais aqui desenvolvidos são compostos por uma repetição de células cúbicas que possuem barras com comportamento de treliça espalhadas no seu interior. Este trabalho visa otimizar a configuração interna dessas células para que se obtenha o coeficiente de Poisson desejado, simulando o contínuo de um material com propriedades diferentes daquele material que compõe a estrutura treliçada. Uma metodologia para otimizar uma célula base, a fim de atingir o coeficiente de Poisson, foi elaborada com um algoritmo genético e o método dos elementos finitos. A formulação utilizada é escrita em função das posições nodais, realizando uma análise não linear geométrica. Os resultados mostram que a metodologia proposta permite projetar as propriedades mecânicas de forma controlada, especificamente o coeficiente de Poisson, permitindo obter materiais arquitetados para aplicações diversas.


  • Mostrar Abstract
  • In many applications is necessary to, in a controlled way, project the mechanical properties of the materials applied. Examples can be found in biomechanical applications (implants and prosthesis), where the variety of materials that can be used is limited. Additionally, this material behaves in a completely different way from the ones found in the body natural structure component material. Such differences end up inflicting pain, discomfort and even wearing the joints. In this way, the possibility of defining the mechanical properties of structures allows a better control of the last improving and increasing the variety of applications. Motivated by the architected materials evolution – Metamaterials – and by the evolution of the additive manufacture techniques, the present work developed truss like structures with controlled mechanical behavior. The metamaterials here developed are compound of a repetitive cubic cell with truss like elements spread across its interior. This work aims to optimize these cells internal configuration to achieve the desired Poisson coefficient, simulating a material continuum with different properties from the one which the truss structure is made of. A methodology to optimize the base cell, in order to achieve a specific Poisson Coefficient, was formulated with a genetic algorithm and the finite element method. The formulation used is written in function of the nodal position, realizing a geometric non-linear analysis. The results show that the methodology adopted allows to project, in a controlled way, the mechanical properties, specifically the Poisson coefficient, allowing to obtain architected materials to diverse applications.

5
  • LUIZ FELIPI RIBEIRO SIQUEIRA
  • Rastreamento de Modos e Análise Intramodal de Aeroelasticidade de uma Aeronave Muito Flexível com o uso de Autovalores e Autovetores

  • Orientador : SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • FLAVIO LUIZ CARDOSO RIBEIRO
  • MARCELO SANTIAGO DE SOUSA
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • YOHAN ALI DIAZ MENDEZ
  • Data: 28/06/2019

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  • Uma aeronave flexível modelada com a metodologia NFNS_s foi utilizada como base para a
    realização de análises em aeroelasticidade. Rotinas adicionais foram implementadas para que o
    processo de aquisição das matrizes de autovalores e autovetores obtidas em cada condição
    trimada se tornasse rápido e possibilitasse o correto manejo dos dados, em especial para que o
    ordenamento estivesse na sequência correta (rastreamento de modos). Além disso, as rotinas
    possibilitaram a filtragem dos dados e extração das informações relativas à frequência, taxa de
    amortecimento, fase e amplitude. Estes resultados foram utilizados em uma análise intramodal
    como meio para realizar a proposição do mecanismo físico do flutter. Isto é, uma avaliação das
    componentes de torção e flexão foi feita internamente nos modos aeroelásticos filtrados para
    identificar regimes de instabilidade e o que ocorre dentro de cada um dos modos aeroelásticos
    selecionados. Em adição, dois estudos de sensibilidade foram efetuados para mensurar os
    principais efeitos originados pela variação do posicionamento do eixo de flexão e mudança das
    rigidezes das asas da aeronave. Dentre os principais resultados obtidos com a pesquisa, podese
    destacar a importância da fase nas análises físicas do mecanismo de flutter, visto que os
    saltos de fase modificaram o mecanismo físico de ação, e que o modo em que o fenômeno foi
    encontrado é aquele em que a componente de torção é equiparada à flexão em termos de
    amplitude. Já no primeiro estudo de sensibilidade feito, pode-se diagnosticar que a alteração do
    eixo de flexão sentido ao bordo de fuga tende a incrementar a componente de torção e reduzir
    a componente de flexão. No segundo estudo de sensibilidade, referente à alteração de rigidez,
    os valores mostraram que a rigidez exerce papel fundamental na prevenção de flutter, pois altera
    o comportamento das curvas de amplitude e fase, sendo que uma rigidez maior inibe saltos nos
    valores de fase e variações bruscas nas amplitudes das componentes do modo. Para reforçar os
    resultados encontrados, duas simulações não lineares foram realizadas, sendo uma abaixo da
    velocidade de flutter e outra na velocidade de flutter calculada.


  • Mostrar Abstract
  • A flexible aircraft modeled with the NFNS_s methodology was used as the basis for aeroelastic
    analysis. Additional routines were implemented to permit that the acquisition process of the
    eigenvalues and eigenvectors matrices obtained in each trimmed condition became fast and
    allowed the correct data management, especially so that the ordering was in the correct
    sequence (mode tracking). In addition, the routines enabled the data filter and the extraction of
    information related to frequency, damping rate, phase, and amplitude. These results were used
    in an intramodal analysis as a means to show the proposition of the flutter physical mechanism.
    An evaluation of the twist and bending components was done internally in the filtered
    aeroelastic modes to identify instability regimes and what occurs within each of the selected
    aeroelastic modes. In addition, two sensitivity studies were carried out to measure the main
    effects caused by the variation of the position of the flexural axis and changes in the stiffness
    of aircraft wings. Among the main results obtained with the research, it was possible to
    emphasize the importance of the phase in the physical analysis of the flutter mechanism, since
    the phase jumps modified the physical mechanism of action, and the aeroelastic mode that the
    phenomenon was found is the one that the twist component is equated to bending in terms of
    amplitude. In the first study of sensitivity made, it can be diagnosed that the alteration of the
    flexural axis towards the trailing edge tends to increase the twist component and reduce the
    bending component. In the second study of sensitivity, associated with the change in stiffness,
    the values showed that the stiffness plays a fundamental role in the prevention of flutter, as it
    changes the behavior of the amplitude and phase curves, and a greater stiffness inhibits jumps
    in the phase values and variations in the amplitudes of the mode components. Reinforcing the
    results found, two nonlinear simulations were performed, one below the flutter velocity and the
    other at the calculated flutter velocity.

6
  • ALEX ANDERSON CALBINO DA SILVA
  • SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO SOLAR DESENVOLVIDO PELA INTEGRAÇÃO DE PÁS EÓLICAS AO CONCENTRADOR SOLAR DE SISTEMA DISH-STIRLING

  • Orientador : OSVALDO JOSE VENTURINI
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GAYLORD ENRIQUE CARRILLO CABALLERO
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • WALDIR DE OLIVEIRA
  • Data: 03/07/2019

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  • Os sistemas Dish-Stirling são comumente instalados em campos abertos, os quais
    apresentam apreciável disponibilidade eólica, portanto estes sistemas de conversão de energia
    solar estão freqüentemente sujeitos a fortes ventos (Sun et al., 2014). A incidência de ventos
    em concentradores solares dish a determinadas velocidades torna imperativo que o sistema de
    conversão de energia seja desativado afim de que não ocorram danos ao mesmo (Sun et al.,
    2014). Portanto, a disponibilidade eólica estabelece uma limitação intrínseca ao período de
    operação deste sistema de conversão de energia solar. Contudo, a principal limitação
    estabelecida ao período de geração de energia elétrica dos sistemas Dish-Stirling, concernente
    a todos os sistemas de conversão de energia solar, consiste em sua restrição ao período
    diurno, visto que não há disponibilidade de energia solar no período noturno.
    A proposta estabelecida nesta dissertação consiste na integração de conversão de energia
    eólica ao sistema Dish-Stirling, originando um novo conceito de sistema híbrido. Esta
    hibridização oportunizará o acréscimo no período de geração de energia elétrica dos sistemas
    Dish-Stirling referente ao período noturno, possibilitado fornecimento de energia elétrica
    durante todo o dia.
    A proposta técnica apresentada na dissertação consiste na hibridização do sistema Dish-
    Stirling fundamentada no desenvolvimento de um novo conceito de concentrador dish, o
    concentrador híbrido dish. O concentrador híbrido dish consiste conceitualmente em um
    concentrador solar dish associado a pás eólicas, estabelecendo nesta mesma estrutura, a
    conversão de energia solar e a conversão de energia eólica. Portanto, o desenvolvimento do
    concentrador híbrido dish compreende fundamentalmente seu projeto solar e eólico.
    O projeto solar do concentrador híbrido dish foi efetivamente estabelecido mediante
    aplicação da metodologia de dimensionamento geométrico e térmico de sistemas Dish-
    Stirling estabelecidos por Castellanos et al. (2017) e Hafez et al. (2016). O projeto eólico do
    concentrado híbrido dish foi desenvolvido mediante aplicação da teoria da quantidade de
    movimento do elemento de pá (BEM) associada à metodologia de dimensionamento de
    ventiladores e a análise fluidodinâmica computacional (CFD).
    A viabilidade do sistema híbrido foi analisada mediante estudo comparativo estabelecido
    entre a geração de energia elétrica anual do sistema híbrido proposto e a geração de energia
    elétrica anual de um sistema Dish-Stirling correspondente, ambos instalados numa mesma
    localidade brasileira.
    Os resultados do estudo comparativo demonstram que o sistema híbrido apresenta pequeno
    incremento na geração de energia elétrica em relação ao sistema Dish-Stirling correspondente,
    corroborando a viabilidade técnica da hibridização proposta. As análises estabelecidas sob
    determinados parâmetros de projeto demonstram que a aplicação de estudos de otimização ao
    desenvolvimento do sistema proposto resultaria em ganhos significativos na geração de
    energia elétrica. Portanto, são identificados e analisados estes parâmetros que se constituem
    determinantes na ampliação da geração de energia elétrica do sistema proposto.


  • Mostrar Abstract
  • The Dish-Stirling systems are commonly installed at open fields with high wind
    availability, so these solar energy conversion systems are often exposed at strong winds (Sun
    et al., 2014). The incident winds on solar dish concentrators at high speeds makes the energy
    conversion system be turn off in order to avoid damage to the solar concentrator (Sun et al.,
    2014). Therefore, wind availability establishes a limitation in the operating time of this solar
    energy conversion system. However, the main limitation of Dish-Stirling systems, intrinsic on
    all solar energy conversion systems, concerning at the operating time of these systems limited
    at the daytime, therefore there is no conversion of energy at night.
    The presented proposal consists at the integration of the wind energy conversion in Dish-
    Stirling systems, creating a new concept of the hybrid system. The hybridization will allow
    the increase in the operating time of Dish-Stirling systems for the night time, allowing the
    electrical power generation during the twenty-four hours of the day.
    The technical proposed of the dissertation consists in Dish-Stirling system hybridization
    based on development of a new concept of dish concentrator, the hybrid dish concentrator.
    The conception of the hybrid dish concentrator consists in a solar dish concentrator associated
    at wind blades turbines in the same structure, making the conversion of solar energy and the
    conversion of wind energy. Therefore, the hybrid dish concentrator design basically includes
    its solar project and its wind project.
    The solar project of the hybrid dish concentrator was developed by applying the
    geometrical sizing and thermal design methodology of the Dish-Stirling systems proposed by
    Castellanos et al. (2017) and Hafez et al. (2016). The wind project of the hybrid dish
    concentrate was developed by applying the blade element momentum theory (BEM)
    combined by the fan sizing methodologies, and the computational fluid dynamics (CFD).
    The technical feasibility of the hybrid system was analyzed through a comparative study
    between the annual electricity generation of its system and the annual electricity generation of
    the suchlike Dish-Stirling system, both installed in the same localization.
    The results of the comparative study shown that the hybrid system presents a small
    increase at the annual electricity generation than the Dish-Stirling system, confirming the
    technical feasibility of the proposed hybridization. The analysis established by the design
    parameters shown that the optimization studies applied on the hybrid system would result in
    relevant increase of the electric power generation.

7
  • LEANDRO BERNARDES SERRANO
  • OBTENÇÃO DA LIGA Fe-Nb POR MECHANICAL ALLOYING

  • Orientador : GILBERT SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO AUGUSTO ARAUJO PINTO DA SILVA
  • DURVAL RODRIGUES JUNIOR
  • GEOVANI RODRIGUES
  • GILBERT SILVA
  • Data: 05/07/2019

  • Mostrar Resumo
  • Neste estudo, foram obtidas ligas Fe15Nb e Fe40Nb predominadas pelas fases Fe-alfa, Laves (Fe2Nb) e μ (Fe7Nb6), utilizando o método de Mechanical Alloying (MA). No experimento foram utilizados três diferentes Agentes Controladores de Processo (Process Control Agent – “PCA”) para investigar seu efeito no processo MA: Metanol, Hexano e Ácido Esteárico, comparando também todos os resultados com o processo sem PCA. A liga foi analisada após 20, 40, 60 e 80 horas de moagem em um moinho planetário de alta energia, em atmosfera inerte com gás argônio a uma rotação de 350 rpm. Os resultados apresentados na técnica de difração a laser indicam uma grande redução no tamanho das partículas dos pós quando o PCA metanol e hexano são utilizados. Subsequentemente, os tratamentos térmicos a 600, 800 e 1000 °C por 48 horas, e 1200 °C por 3 horas para formação de fase e sinterização da liga. O PCA afeta diretamente a morfologia das partículas, alterando sua compressibilidade e densificação após o tratamento térmico e têm ainda um papel importante na cinética de formação das fases.


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  • In this study, Fe15Nb and Fe40Nb alloys, mainly constituted by phases Fe-α, Laves (Fe2Nb) and μ (Fe7Nb6) were produced via Mechanical Alloying (MA). Three different Process Control Agents ("PCA") were used to investigate their effect on the process: Methanol, Hexane and Stearic Acid, comparing with the process without PCA. Alloys were analyzed after 20, 40, 60 and 80 hours of milling in a high-energy planetary mill with inert argon atmosphere and rotation of 350 rpm. Results using laser diffraction technique indicate a large reduction in the powders particle sizes when methanol and hexane are used. Subsequently, heat treatments at 600, 800 and 1000 °C for 48 hours and 1200 °C for 3 hours were performed aiming the analysis of alloys’ phase formation and sintering. PCA directly affects the particles’ morphology, as well as, its compressibility, densification, and also has important role in the kinetics of phase formation.

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  • TÚLIO AUGUSTO ZUCARELI DE SOUZA
  • VALORIZAÇÃO ENERGÉTICA DO GLICEROL PARA A PRODUÇÃO DE BIOHIDROGÊNIO E UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE COGERAÇÃO NA INDÚSTRIA DE BIODIESEL

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • FAGNER LUIS GOULART DIAS
  • JOSE LUZ SILVEIRA
  • LUCIA BOLLINI BRAGA MACIEL
  • Data: 09/08/2019

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  • A crescente produção de biodiesel no Brasil e no mundo tem gerado um excesso de glicerol, cujos preços têm se tornado cada vez menores. A grande quantidade deste subproduto somada a seu decrescente valor econômico tem tornado a valorização energética do glicerol objeto de vários estudos, o que pode configurar uma opção de suprimento energético para a própria indústria de biodiesel por meio da chamada técnica de cogeração. Neste contexto, a viabilidade do suprimento de eletricidade e calor em uma planta de produção de biodiesel por meio de glicerol foi avaliada. Para tal, uma usina de biodiesel previamente simulada por Galarza (2017) foi utilizada para estimar a quantidade de glicerol e a demanda energética a serem aplicadas na simulação dos processos de queima e reforma a vapor do glicerol, ambos por meio do software computacional Aspen HYSYSTM. Em seguida, o potencial de geração elétrica por meio de uma célula a combustível de óxido sólido foi avaliado por meio de modelagem matemática por meio do software MATLABTM. Por fim, uma análise econômica foi utilizada para avaliar a viabilidade da configuração proposta em um sistema real. Foi constatado que, embora a células de óxido sólido tenha apresentado ótimo potencial de conversão energética do gás de reforma, sendo capaz de gerar os 5,8 kW de eletricidade necessários, o aspecto econômico ainda se apresenta como uma dificuldade para a implementação de sistemas similares em situações reais. Tanto o custo de produção de hidrogênio quanto o custo final de eletricidade se mantiveram acima do valor de mercado, sendo a eletricidade, para todos os cenários, gerada a mais de 0,40 USD/kWh contra um valor médio de 0,12 USD/kWh praticado pela concessionária.


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  • The increase in the biodiesel production in Brazil and in the world is generating a glycerol oversupply, making its prices to plummet down. The growing quantities of this by-product, along with its decreasing economic value is making the energetic valorization of glycerol object of several studies, which can configure an option for supplying the energy demanded by the biodiesel industry through the so-called cogeneration technique. In this context, the viability of supplying both electricity and heat from glycerol in a biodiesel production facility was assessed. For this, a biodiesel facility previously simulated by Galarza (2017) was used to estimate the quantity of glycerol and the energy demand to be considered in the simulation of the glycerol combustion and steam reforming, both through Aspen HYSYSTM software. Afterwards, the potential for electricity generation by using of a solid oxide fuel cell was evaluated through mathematical modelling using MATLABTM software. Finally, an economical analysis was used in order to evaluate the viability of the proposed configuration in a real system. It was found that, although the solid oxide fuel cell has presented high potential for electricity generation from the reform gas, being able to generate the 5,8 kW of demanded electricity, the economic aspect still pose a major barrier to the implementation of similar systems in real applications. Both the hydrogen and electricity production costs remained above market values for all scenarios, as the electricity was generated at values higher than 0,40 USD/kWh while the average value in the market is 0,12 USD/kWh.
    Keywords: biodiesel; glycerol; cogeneration; biohydrogen; fuel cells;

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  • JONATHAN OLIVEIRA NERY
  • Estudo experimental, via análise de vibrações, acerca da caracterização de desgaste em componentes mecânicos com diferentes combinações de lubrificantes e aditivos

  • Orientador : SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CARLOS ALBERTO CARVALHO CASTRO
  • FELIPE DE SOUZA ELOY
  • SEBASTIAO SIMOES DA CUNHA JUNIOR
  • Data: 30/08/2019

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  • A eficiência de um lubrificante no controle do atrito e do desgaste de sistemas mecânicos está ligada à confiabilidade, consumo energético e vida útil de máquinas e equipamentos. A falta de controle da condição destas máquinas pode causar graves perdas de produção devido às falhas inesperadas. O monitoramento por vibrações mecânicas busca criar condições de identificar e avaliar potenciais falhas mecânicas ou elétricas em programas de manutenção preditiva, aplicada na identificação de defeitos como desbalanceamento, desalinhamento, defeito em rolamentos, falha de lubrificação, dentre outros. Neste trabalho, desenvolveu-se um estudo experimental, via análise de vibrações, a partir de amostras submetidas a desgaste por deslizamento, para diferentes combinações de óleos lubrificantes e aditivos. Realizou-se a correlação entre o desgaste gerado nas amostras, com os sinais vibracionais coletados durante os ensaios, para diferentes faixas de frequência. Analisou-se a superfície do desgaste via microscopia eletrônica de varredura (MEV) e sua composição por eletroscopia de energia dispersiva (EDS). Os resultados demonstram boa correlação entre algumas das faixas de frequência estudadas e o desgaste. Uma redução do desgaste médio foi registrada com o uso de aditivos, na condição de extrema pressão e velocidade de deslizamento de 0,49 m/s.


  • Mostrar Abstract
  • The efficiency of a lubricant in controlling friction and wear of mechanical systems is linked to the reliability, energy consumption and life of machines and equipment. The lack of control the condition of these machines can cause serious production losses due to unexpected failures. Mechanical vibration monitoring seeks to create conditions to identify and evaluate potential mechanical or electrical failures in predictive maintenance programs, applied to identify defects such as unbalance, misalignment, bearing defect, lubrication failure, among others. In this work, an experimental study was developed, via vibration analysis, from samples submitted to sliding friction, for different combinations of lubricating oils and additives. The correlation between the wear generated in the samples and the vibrational signals collected during the tests was performed for different frequency ranges. The wear surface was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and its composition by energy dispersive spectroscopy (EDS). The results show a good correlation between some of the studied frequency bands and the wear. A reduction of the average wear was registered with the use of additives, in the condition of extreme pressure and sliding speed of 0.49 m/s.

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  • EMERSON HENRIQUE MEDINA FRANCO
  • Análise Termodinâmica de uma Microturbina a Gás em Operação Híbrida Solar-Etanol

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CELSO EDUARDO TUNA
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • FAGNER LUIS GOULART DIAS
  • MARCO ANTONIO ROSA DO NASCIMENTO
  • Data: 04/11/2019

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  • Turbinas a gás híbridas solar-biocombustível são interessantes do ponto de vista econômico e ambiental. Desta maneira diversas pesquisas estão sendo desenvolvidas nesse campo, assim como implementadas em indústrias nos últimos anos. O objetivo desta dissertação é avaliar o desempenho de uma microturbina híbrida operando com etanol ou gás natural e energia solar, além da viabilidade econômica da hibridização da turbina. A microturbina simulada computacionalmente foi a Capstone C30, a qual é uma turbina a gás regenerativa que opera com gás natural em condição padrão. A fim de simular as condições específicas de operação, foi utilizado o software GateCycleTM 6.1.2, utilizando como combustíveis o etanol e o gás natural, simulando um receptor solar posicionado tanto na linha de alta pressão como na linha de baixa pressão. Os resultados mostraram uma redução significativa em consumo de combustível conforme o receptor aumenta a temperatura do ar, principalmente quando este está posicionado na linha de alta pressão, afetando diretamente o custo da energia gerada. No ciclo híbrido, apesar da maior potência obtida utilizando-se gás natural, a relação energia do combustível por potência produzida é menor ao utilizar o etanol. O custo de geração de energia elétrica sem energia solar é mais atrativo para o combustível gás natural, mas a turbina a etanol é mais atrativa à solarização. O menor tempo de retorno financeiro foi de 4,4 anos, obtido para a microturbina híbrida solar-etanol com o receptor solar na linha de alta pressão e o maior de 14,3 anos, obtido para a microturbina híbrida solar-gás natural com o receptor posicionado na linha de baixa pressão. A solarização destas duas turbinas representa uma receita em 20 anos de US$ 376 227 e US$ 39 221, respectivamente.


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  • Hybrid solar-biofuel turbines are interesting from the economic and environmental point of view, thus many researches are being performed in the field, as well as implemented in industries over the last years. The aim of this dissertation is to assess the performance of a solar hybrid micro gas turbine operating either with ethanol or natural gas and solar energy, including the economic viability of its hybridization. The microturbine computationally simulated was the Capstone C30, which is a regenerative gas turbine engine that operates with natural gas in standard condition. To simulate specific operational conditions, it was used the software GateCycleTM 6.1.2, using ethanol and natural gas as fuel, simulating a solar energy receiver located either in the high pressure or in the low pressure lines. The results showed a significant reduction in fuel consumption as the solar receiver increases the air temperature, particularly when the receiver is located in the high-pressure line, directly affecting the cost of the energy generated. In the hybrid cycle, despite the higher power output using natural gas, the ratio fuel energy by net power is lower when using ethanol. The cost of electric energy generation without solar energy is more attractive for the fuel natural gas, but the ethanol microturbine is more attractive to solarization. The lowest payback time was 4.4 years, obtained for the hybrid solar-ethanol gas microturbine for the receiver placed in the high pressure line and the highest 14.3 years, obtained for the hybrid solar-natural gas microturbine for the receiver located in the low pressure line. The solarization of these two turbine represents a revenue of US$ 376 227 and US$ 39 221 in 20 years, respectively.

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  • DARWIN OMAR MAESTRE DI CIOCCIO
  • Análise Numérica da Influência de Pás Auxiliares no Desempenho Aerodinâmico e Acústico de Ventiladores Centrífugos.

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANGIE LIZETH ESPINOSA SARMIENTO
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • RICARDO CARRASCO CARPIO
  • WALDIR DE OLIVEIRA
  • Data: 19/11/2019

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  • MAESTRE, D. 0. D. (2019), Análise Numérica da Influência de Pás Auxiliares no Desempenho Aerodinâmico e Acústico de Ventiladores Centrífugos, Itajubá, 96 p. Dissertação (Mestrado em Térmica, Fluidos e Máquinas de Fluxo)- Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá.
    Este trabalho apresenta uma análise numérica de ventiladores centrífugos com pás auxiliares através de técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), para determinar a influência das pás auxiliares no comportamento aerodinâmico do ventilador e as fontes de ruído de banda larga. Foi considerado um rotor com 10 pás principais em formato de arco de círculo com 10 pás auxiliares intercaladas às pás principais. Para as análises do campo de escoamento foram consideradas simulações em regime permanente, onde as condições de contorno de velocidade na entrada, mantendo a rotação constante foram dadas com base no ensaio experimental. Em princípio, os resultados numéricos do rotor sem pás auxiliares foram validados com dados experimentais obtidos do banco de ensaios de ventiladores da UNIFEI. O modelo de turbulência empregado k-! SST, mostrou-se adequado na identificação dos efeitos viscosos e a dissipação de energia pela viscosidade turbulenta, resultando numa representação numérica coerente com os dados experimentais. Em relação à potência acústica, com base na pressão sonora, os resultados foram satisfatórios, com base em análises disponíveis na literatura. Foram também feitas análises de carregamentos aerodinâmicos para quantificar os efeitos no rendimento hidráulico considerando as pás auxiliares.


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  • MAESTRE, D. 0. D. (2019), Numerical Analysis of Splitter Blades Influence on Aerodynamic
    and Aeroacustic Performance of a Centrifugal Fans, Itajubá, 96 p. Theses (Master
    in Thermal, Fluids and Flow Machines) - Institute of Mechanical Engineering, Federal University
    of Itajubá.
    This work presents a Methodology for Numerical Analysis of Centrifugal Fans with splitter
    blades through Computational Fluid Dynamics Techniques (CFD), to determine the influence
    of splitter blades on fan behavior and broadband noise sources. It was considered a rotor
    with ten main blades in a circle arc shape.
    A three-dimensional numerical simulations of the complete steady flow field in the whole
    impeller were considered, the inlet velocity and constant speed rotation as boundary conditions
    were given based on the experimental test. The numerical results of the rotor without splitter
    blades was conducted by comparison with the experimental data from the UNIFEI fan test rig.
    The turbulence model employed k-! SST was suitable to identify viscous effects and
    energy dissipation by turbulent viscosity provides a good qualitative prediction with the experimental
    results.
    Regarding the acoustic power levels results, based on the sound pressure, it was satisfactory
    based on analysis in the literature. Aerodynamic loading analysis were also performed to
    quantify the effects on efficiency considering the splitter blades.

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  • GUSTAVO PEREIRA TAVARES
  • Análise Exergética e Estudo da Formação de Poluentes em Fábricas de Cimento

  • Orientador : ROGERIO JOSE DA SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GENESIO JOSE MENON
  • MARIA LUIZA GRILLO RENO
  • RICARDO CARRASCO CARPIO
  • ROGERIO JOSE DA SILVA
  • Data: 22/11/2019

  • Mostrar Resumo
  • Visando reduzir o consumo de energia, várias inovações tecnológicas têm sido incorporadas no processo de produção de cimento. Pode-se mostrar como exemplo, as seguintes tecnologias que foram utilizadas neste trabalho pré-aquecedores de ciclones de cinco e seis estágios e o sistema de by-pass. Os pré-aquecedores de ciclones de cinco e seis estágios, permitem obter um maior aproveitamento do calor residual dos gases da exaustão do forno rotativo, gerando uma redução no consumo específico de calor do processo. Um outro exemplo é o sistema de by-pass, onde o objetivo é retirar o teor de cloro e álcalis presentes nos gases de exaustão, e oriundos das matérias-primas, para se evitar a formação de incrustrações nos ciclones e da formação de fissuras no concreto. Este trabalho apresenta uma análise de energética e exergética de três diferentes fábricas de cimento, além de avaliar os fatores que levam a formação e as emissões gasosas. O estudo de caso 1 apresenta um sistema de produção de clínquer com forno equipado com pré-aquecedores de quatro estágios e um pré-calcinador. Esta instalação possui um sistema de by-pass com desvio de 100% do volume total de gás de exaustão do forno. Já o estudo de caso 2 é referente a uma instalação com um forno com pré-aquecedores de cinco estágios e pré-calcinador, equipado com sistema de by-pass que faz o desvio de 15% do volume total de gás de exaustão do forno. No estudo de caso 3, o sistema de produção de clínquer é composto por um forno que possuí pré-aquecedores de seis estágios e pré-calcinador. Os resultados apontam que para os três estudos de casos, o pré-aquecedor/calcinador se mostra como a principal fonte de irreversibilidades, conforme esperado. A eficiência exergética global obtida para o estudo de caso 1 foi de 30,87%, para estudo de caso 2 foi de 28,94% e para o estudo de caso 3 foi de 32,09%. A emissão de CO2 proveniente da matéria-prima das plantas dos estudos de casos 1 e 2, foi maior do que a emissão proveniente da matéria-prima no estudo de caso 3. Foi verificado, portanto, um importante aumento na eficiência do estudo de caso 3, assim como uma redução significativa do impacto ambiental originado pela emissão de CO2.


  • Mostrar Abstract
  • In order to reduce energy consumption, several technological innovations have been incorporated into the cement production process. As an example, we can show the following technologies that were used in this work five- and six-stage cyclone preheaters and the bypass system. The five- and six-stage cyclone preheaters allow you to make the most of the residual heat from the rotary kiln exhaust gases, resulting in a reduction in the specific heat consumption of the process. Another example is the bypass system, where the objective is to remove the chlorine and alkali content of the exhaust gases from the raw materials to avoid the formation of cyclone incrustations and the formation of cracks in the exhaust gas concrete. This paper presents an energetic and exergetic analysis of three different cement factories, besides evaluating the factors that lead to the formation and the gaseous emissions. Case Study 1 presents an oven clinker production system equipped with four-stage preheaters and a precalciner. This facility has a bypass system with a deviation of 100% of the total volume of furnace exhaust gas. Case study 2 refers to an installation with a five-stage preheater furnace and precalciner equipped with a bypass system that deviates 15% of the total exhaust gas volume from the furnace. In case study 3, the clinker production system is composed of an oven that has six-stage preheaters and precalciner. The results show that for the three case studies, the preheater / calciner is the main source of irreversibility, as expected. The overall exergetic efficiency obtained for case study 1 was 30.87%, for case study 2 it was 28.94% and for case study 3 32.09%. The CO2 emission from the raw material from case study plants 1 and 2 was higher than the emission from the raw material from case study 3. Therefore, there was a significant increase in the efficiency of the case study. 3, as well as a significant reduction in the environmental impact of CO2 emissions.

Teses
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  • IVAN FELIPE SILVA DOS SANTOS
  • Análise técnica e econômica de parques hidrocinéticos com base em previsões numéricas (CFD) e dados experimentais

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CESAR PINHO BRASIL JUNIOR
  • BENEDITO CLAUDIO DA SILVA
  • GERALDO LUCIO TIAGO FILHO
  • MARCELO ASSATO
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • Data: 03/05/2019

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  • Dentre os grandes desafios para a difusão do desenvolvimento hidrocinético em rios está à dificuldade em estimar o potencial energético, a análise de viabilidade econômica e o arranjo de turbinas do sistema. O presente trabalho propõe e aplica uma metodologia para estimar o potencial hidrocinético em termos energéticos e econômicos e para estudo do arranjo de um parque hidrocinético para dois rios do Norte do país. A metodologia aqui aplicada se baseia em simulações numéricas dos rios por meio dos softwares ANSYS CFX® e ANSYS FLUENT®, com auxilio de dados experimentais como batimetria e campanhas de medição de velocidade e vazão, para estudo dos pontos de velocidade máxima e planejamento da configuração das turbinas dentro das regiões de maior velocidade das seções transversais de um rio. Com a configuração do parque definida, fatores como número de turbinas, potencial disponível e aproveitado e viabilidade econômica puderam ser estimados. O projeto de uma turbina hidrocinética para operação nesta região de máxima velocidade e o estudo da esteira resultante da operação da mesma em um dos pontos de alta velocidade do rio também foi efetuado por meio da teoria do disco atuador. A potência obtida nos parques estudados foi de respectivamente, 109,5 e 31,5 kW. Os custos nivelados de geração estiveram situados entre de 75 e 125 USD/MWh, valores em geral pouco competitivos frente outras fontes renováveis no Brasil, como as eólica e PCHs. Quanto à viabilidade econômica de parques hidrocinéticos, conclui-se que a inserção dos parques no mercado de geração distribuída e o desenvolvimento de turbinas mais eficientes são aspectos que podem auxiliar a ampliação da atratividade financeira desta forma de geração. Quanto ao arranjo físico do parque a conclusão é que a esteira produzida pela inserção das turbinas se revelou influenciada pelas características do rio e das demais turbinas implantadas. Em âmbito geral conclui-se que metodologia desenvolvida se mostrou satisfatória para estudo das posições de turbinas em um rio sem que haja sobreposição dos efeitos das esteiras, para prospecção energética e estudo de viabilidade econômica do parque, auxiliando a superar os desafios ainda remanescentes para a difusão da tecnologia hidrocinética.


  • Mostrar Abstract
  • Dentre os grandes desafios para a difusão do desenvolvimento hidrocinético em rios está à dificuldade em estimar o potencial energético, a análise de viabilidade econômica e o arranjo de turbinas do sistema. O presente trabalho propõe e aplica uma metodologia para estimar o potencial hidrocinético em termos energéticos e econômicos e para estudo do arranjo de um parque hidrocinético para dois rios do Norte do país. A metodologia aqui aplicada se baseia em simulações numéricas dos rios por meio dos softwares ANSYS CFX® e ANSYS FLUENT®, com auxilio de dados experimentais como batimetria e campanhas de medição de velocidade e vazão, para estudo dos pontos de velocidade máxima e planejamento da configuração das turbinas dentro das regiões de maior velocidade das seções transversais de um rio. Com a configuração do parque definida, fatores como número de turbinas, potencial disponível e aproveitado e viabilidade econômica puderam ser estimados. O projeto de uma turbina hidrocinética para operação nesta região de máxima velocidade e o estudo da esteira resultante da operação da mesma em um dos pontos de alta velocidade do rio também foi efetuado por meio da teoria do disco atuador. A potência obtida nos parques estudados foi de respectivamente, 109,5 e 31,5 kW. Os custos nivelados de geração estiveram situados entre de 75 e 125 USD/MWh, valores em geral pouco competitivos frente outras fontes renováveis no Brasil, como as eólica e PCHs. Quanto à viabilidade econômica de parques hidrocinéticos, conclui-se que a inserção dos parques no mercado de geração distribuída e o desenvolvimento de turbinas mais eficientes são aspectos que podem auxiliar a ampliação da atratividade financeira desta forma de geração. Quanto ao arranjo físico do parque a conclusão é que a esteira produzida pela inserção das turbinas se revelou influenciada pelas características do rio e das demais turbinas implantadas. Em âmbito geral conclui-se que metodologia desenvolvida se mostrou satisfatória para estudo das posições de turbinas em um rio sem que haja sobreposição dos efeitos das esteiras, para prospecção energética e estudo de viabilidade econômica do parque, auxiliando a superar os desafios ainda remanescentes para a difusão da tecnologia hidrocinética.

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  • ALDEMAR MARTÍNEZ GONZÁLEZ
  • Avaliação termodinâmica de alternativas de tratamento de resíduos de borra de petróleo a partir da gaseificação

  • Orientador : ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • RAFAELA FROTA REINALDO
  • SILVIO DE OLIVEIRA JUNIOR
  • VLADIMIR RAFAEL MELIAN COBAS
  • Data: 10/05/2019

  • Mostrar Resumo
  • Este trabalho apresenta o estudo da gaseificação de borra oleosa (BO) de petróleo derivada do processo de refino de petróleo. O processo de gaseificação foi modelado mediante o software Aspen-Hysys® (v.8.6), a fim de avaliar a produção de gás de síntese rico em H2 e seu potencial uso em processos de conversão termoquímica. Assim, foram considerados cinco casos de estudo para valorizar os resíduos do BO de petróleo, os quais incluem a produção de hidrogênio a partir da reforma do gás de síntese e seu potencial uso no processo de hidrodessulfurização do óleo diesel (Caso 1), produção de combustíveis líquidos sintéticos (Caso 2), geração de energia elétrica (Caso 3), produção de amônia (Caso 4) e metanol (Caso 5), principalmente. A simulação do processo de gaseificação de BO baseia-se em modelos cinéticos para a velocidade de reação química dos principais compostos da BO. Também, foram utilizadas misturas ar e vapor superaquecido como agentes de gaseificação, visando sua influência na temperatura de gaseificação, rendimento do gás, composição química e conteúdo energético do gás, produção específica de cinzas e eficiência de gaseificação a quente e frio. Os resultados da simulação mostraram que a conversão termoquímica da BO de petróleo requer de uma temperatura de operação do gaseificador acima de 1300°C, a fim de garantir uma alta conversão (> 90%) dos hidrocarbonetos presentes. O requerimento de energia térmica para a gaseificação foi estimado entre 0,80 e 1,25 kWh/kg BO, considerando uma razão de equivalência (ER) e uma razão vapor/borra (SB) entre 0,25-0,37 e 0,20-1,50 kg de vapor/kg BO, respectivamente. O índice específico de gás síntese obtido variou na faixa de 2,14-3,34 Nm3/kg BO, com uma composição molar de H2 em torno de 10-25%, o que por sua vez indica uma produção específica de hidrogênio na faixa de 0,21-0,84 Nm3 H2/kg BO gaseificado. Entretanto, o poder calorífico inferior do gás produzido (PCI) variou na faixa de 7,0 e 11,1 MJ/Nm3, enquanto a produção de cinzas oscilou entre 0,10 e 0,17 kg/kg BO. Para o Caso 1, observou-se que uma produção potencial de H2 em torno de 1,87 Nm3/kg BO poderia ser obtida conforme o gás de síntese é reformado, indicando que aproximadamente 28% do H2 total requerido no processo de hidrodessulfurização do óleo diesel pode ser substituído pelo H2 derivado do processo de gaseificação de resíduos de BO de petróleo. Para os Casos 2 e 3, uma produção específica de combustíveis líquidos sintéticos e um índice de geração de eletricidade em torno de 0,48 L/kg BO e 1,54 kWh/kg BO foram obtidos, respectivamente. Com relação, aos Casos 4 e 5, uma produção de amônia e metanol sintético de aproximadamente de 1,41 L NH3/kg BO e 1,61 L CH3OH/kg BO foi calculada, respectivamente. Finalmente, os casos de estudo analisados em este trabalho representam cinco alternativas tecnológicas promissoras para o tratamento e gestão ambiental dos resíduos BO procedentes do refino de petróleo e sua valorização energética antes da disposição final.


  • Mostrar Abstract
  • In this study, gasification of oil sludge (OS) from crude oil refinery process has been investigated. Gasification process was simulated by Aspen-Hysys® (v.8.6) tools to evaluate the possibilities of hydrogen-enriched syngas production and its potential use in thermochemical conversion process. Five cases of study were evaluated in order to valorize OS wastes from oil refining. These cases include hydrogen production from syngas reforming and its potential use in the diesel oil hydrodesulphurization process (Case 1), synthetic liquid fuels production (Case 2), power electric generation (Case 3), ammonia (Case 4) and methanol (Case 5) production. Simulation of OS gasification process was carried out considering a kinetic model for main chemical reaction rate, according to OS compounds. Air and superheated steam mixtures were used as gasifying agents and its influence over gasification temperature, gas yield, chemical composition and heating value of gas, ash specific production, hot and cold gasification efficiencies were evaluated. Results from simulation work showed that OS thermochemical conversion require an operational temperature of gasifier above 1300 °C in order to ensure high conversion (> 90%) of heavy hydrocarbons content in OS waste. Thermal energy requirement for gasification was estimated between 0,80 and 1,25 kWh/kg OS, considering equivalence ratio (ER) and steam/oil sludge (SOS) ratio between 0,25-0,37 and 0,20-1,50 kg steam/kg OS, respectively. Specific gas yield from OS gasification between 2,14 and 3,34 Nm3/kg OS is expected, with hydrogen molar composition of about 10-25,0 mol%, indicating that a specific hydrogen production in the range of 0,21-0,84 Nm3 H2/kg OS gasified could be obtained as syngas reforming is reformed. Furthermore, a lower heating value (LHV) of produced gas in the range of 7,0-11,1 MJ/Nm3 was achieved,  while  ash production ranged between 0,10 and 0,17 kg ash/kg OS. For Case 1, hydrogen potential production was found to be 1,87 Nm3/kg OS, indicating that 28% of total hydrogen required for diesel oil hydrodesulphurization process could be replaced by hydrogen from OS gasification. For Case 2 and Case 3, a specific production of synthetic liquid fuels and electricity index close to 0,48 L/kg OS and 1,54 kWh/kg OS were calculated, respectively. Likewise, for Case 4 and Case 5, simulation results showed a synthetic ammonia and methanol production of about 1,41 L NH3/kg OS and 1,61 L CH3OH/kg OS, respectively. Finally, the five cases analyzed in this work represent promising technological alternatives to treatment and environmental management of OS wastes from crude oil refinery and its energetic added value before final disposal.  
     

3
  • ERIC ALBERTO OCAMPO BATLLE
  • Avaliação Termodinâmica e Ambiental de Complexos Integrados de Biorrefinarias que utilizam Cana e Palma.

  • Orientador : JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DIMAS JOSÉ RÚA OROZCO
  • ELECTO EDUARDO SILVA LORA
  • JOSE CARLOS ESCOBAR PALACIO
  • MARCIO MONTAGNANA VICENTE LEME
  • OSVALDO JOSE VENTURINI
  • VLADIMIR RAFAEL MELIAN COBAS
  • Data: 24/06/2019

  • Mostrar Resumo
  • O presente trabalho objetivou realizar uma avalição Termodinâmica e Ambiental de
    complexos integrados de biorrefinarias que utilizam cana-de-açúcar e palma africana (Elaeis
    guineensis) para as condições brasileiras. Para tal, foram propostos quatro estudos de casos,
    localizado nas regiões Norte ou Nordeste, visto que nestas regiões existem mais de 31 milhões de
    hectares de terras degradadas que possuem as caraterísticas edafoclimáticas favoráveis para o
    cultivo das culturas de cana e palma. O caso base (C-I) foi concebido com o intuito de ser uma
    referência para os demais estudos, em este não existe nenhum tipo de integração (industrial ou
    agrícola) e encontra-se composto por (i) uma usina de açúcar e álcool, (ii) uma planta de extração
    de óleo de palma, (iii) uma planta de refinação e transesterificação de óleo palma e (iv) um sistema
    de cogeração, já nos estudos de casos subsequentes existe uma integração agrícola e industrial,
    sendo que no caso II é incorporada uma planta de etanol 2G, enquanto que no caso III foi
    incorporado uma planta de metanol 2G e o caso IV é uma extensão do caso III, donde foram
    aplicados conceitos avançados de cogeração, especificamente a tecnologia BIG/GT (Biomass
    Integrated Gasifier-Gas Turbine). Para a avaliação dos estudos sob o ponto de vista termodinâmico
    e ambiental, foi utilizada a ACV e indicadores de desempenho baseados na 1a e 2a Lei da
    Termodinâmica. Os resultados obtidos da avaliação termodinâmica expõem a vantagem de obter
    um maior portfolio energético a partir de diversas matérias primas (cana-de-açúcar e palma), sendo
    que C-IV destaca-se perante os outros, já que tem um desempenho superior na ηGlo (53,4%), Iexced
    (86,6 kWh/tMP), σMP (257 GJ/ha-ano) e ηexe (62,7%), pelo fato de integrar a tecnologia de
    gaseificação e turbina a gás (BIG/GT), verificando o atrativo que é para as agroindústrias. Enquanto
    que os resultados obtidos na ACV mostraram os potenciais benefícios ambientais que traz a
    substituição total do diesel fóssil pelo biodiesel (seja etílico ou metílico), tanto na cultura de cana
    como na de palma, possibilitando a redução do consumo de energia fóssil em 74,7% (cana) e 64,8%
    (palma) pela rota etílica ou 79,6% (cana) e 69,2% (palma) pela rota metílica. Consequentemente,
    se poderia atingir um aumento na Relação energética liquida (NER) de até 9 unidades e uma
    Eficiência energética do ciclo de vida (LCEE) de até 18,4% do bioetanol de cana.


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  • The present work aimed to perform a thermodynamic and environmental evaluation of
    integrated biorefinery complexes using sugarcane and african palm (Elaeis guineensis) for brazilian
    conditions. To this end, four case studies were proposed, located in the North or Northeast regions,
    since in these regions there are more than 31 million hectares of degraded lands that have favorable
    edaphoclimatic characteristics for the cultivation of cane and palm crops. The base case (C-I) was
    conceived with the intention of being a reference for the other studies, in which there is no type of
    integration (industrial or agricultural) and is composed of (i) a sugar and alcohol plant, (ii) a palm
    oil extraction plant, (iii) a palm oil refining and transesterification plant, and (iv) a cogeneration
    system, in the subsequent case studies there is an agricultural and industrial integration, and in case
    II a 2G ethanol plant is incorporated, while in case III a 2G methanol plant was incorporated and
    case IV is an extension of case III where advanced cogeneration concepts were applied, specifically
    the BIG/GT technology (Biomass Integrated Gasifier-Gas Turbine). For the evaluation of the
    studies from the thermodynamic and environmental point of view, the LCA and performance
    indicators based on the 1st and 2nd Law of Thermodynamics. The results obtained from the
    thermodynamic evaluation show the advantage of obtaining a larger energy portfolio from several
    raw materials (sugar cane and palm), and C-IV stands out from the others, since it has a superior
    performance in the ηGlo (53.4%), Iexced (86.6 kWh/tMP), σMP (257 GJ/ha-year) e ηexe (62.7%), by
    integrating the technology of gasification and gas turbine (BIG/GT), verifying the attractiveness
    that it is for agroindustries. While the results obtained in the LCA showed the potential
    environmental benefits that brings the total replacement of fossil diesel by biodiesel (whether ethyl
    or methyl), both in cane and palm cultivation, making it possible to reduce the consumption of fossil
    energy by 74.7% (cane) and 64.8% (palm) by the ethanol route or 79.6% (cane) and 69.2% (palm)
    by the methyl route. Consequently, one could achieve an increase in NER up to 9 units and a
    renewability (LCEE) of up to 18.4% of cane bioethanol could be achieved.

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  • ADRIANO CÁSSIO BALDIM
  • A INFLUÊNCIA DA SOLDAGEM RSW SOBRE AS PROPRIEDADES MAGNÉTICAS E TENSÃO RESIDUAL DO AÇO INOXIDÁVEL FERRÍTICO AISI 444.

  • Orientador : GILBERT SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANDERSON PAULO DE PAIVA
  • GILBERT SILVA
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • PEDRO JOSÉ PAPANDRÉA
  • SERGIO SOUTO MAIOR TAVARES
  • Data: 25/09/2019

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  • O conhecimento sobre a soldabilidade dos aços inoxidáveis ferríticos é de grande importância acadêmica e industrial pelo potencial de ampliação da aplicabilidade desta liga em diversos ramos da indústria. Muito embora a natureza dos processos de soldagem possa interferir na microestrutura, união de materiais pela mescla da atuação simultânea de calor e deformação ambos presentes no processo de soldagem por resistência elétrica (Resistance Spot Welding - RSW), alteram as propriedades magnéticas, de tensão residual e de tamanho de grão dos aços inoxidáveis ferríticos. As alterações além de auferir baixa resistência a soldagem limitam o campo de aplicação deste material. Além disso, os elementos intersticiais presentes colaboram para diminuição da tenacidade e resistência a corrosão. Dependendo da utilização final, a magnetização presente no aço também torna-se um fator complicador. Assim esta tese teve por finalidade quantificar a influência da soldagem RSW sobre as propriedades magnéticas, microestruturais e de tensão residual do aço inoxidável ferrítico AISI 444. Métodos estatísticos DOE (Design of Experiments) foram utilizados como ferramenta de análise. As variáveis do processo escolhidas foram a corrente, o tempo, a pressão e a rampa de descida da corrente de soldagem. Foi avaliado a possibilidade de desmagnetização do ponto soldado durante o processo de soldagem. Partindo-se de uma condição otimizada os testes de soldagem foram realizados juntamente a um sensor de deslocamento indutivo para quantificar a deformação da soldagem. Evidências mostraram que a parametrização da soldagem RSW possui significativa influência sobre o tamanho de grão e este por sua vez pode influenciar algumas das propriedades magnéticas e tensionais do material. A minimização das alterações magnéticas pode ser obtida durante o processo de soldagem.


  • Mostrar Abstract
  • Knowledge about the weldability of ferritic stainless steels of great academic and industrial importance by the potential for increasing the applicability of this alloy in various industry branches. Although the nature of welding processes can interfere with the microstructure joining materials by the combination of simultaneous heat actuation and deformation both present in the RSW (Resistance Spot Welding) process alters the magnetic properties, residual stress and grain size of ferritic stainless steels. Changes in addition to low resistance to welding limit the field of application of this material. In addition the present interstitial elements contribute to decreased toughness and corrosion resistance. Depending on the end use the magnetization present in the metal also becomes a complicating factor. Thus this thesis aimed to quantify the influence of RSW welding on the magnetic microstructural and residual stress properties of AISI 444 ferric stainless steel. DOE (Design of Experiments) statistical methods were used as an analysis tool. The process variables chosen were the current the time the pressure and the downward slope of the welding current. The possibility of demagnetization of the welded spot during the welding process was evaluated. Starting from an optimized condition the welding tests were performed together with an inductive displacement sensor to quantify the welding deformation. Evidence has shown that RSW welding parameterization has a significant influence on grain size and this in turn may influence some of the material's magnetic and tensional properties. Minimization of magnetic changes can be achieved during the welding process.

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  • THIAGO GOTELIP CORREA VELOSO
  • Desenvolvimento de um modelo computacional para projeto e otimização multiobjetivo de ciclos ORC e S-CO2

  • Orientador : CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANA LUCIA FERNANDES DE LIMA E SILVA
  • BRUNA OLIVEIRA PASSOS E SILVA SIQUEIRA
  • CHRISTIAN JEREMI CORONADO RODRIGUEZ
  • CÉSAR ADOLFO RODRÍGUEZ SOTOMONTE
  • SILVIO DE OLIVEIRA JUNIOR
  • Data: 08/10/2019

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  • A demanda global de energia cresce nas últimas décadas de forma constante, e com isso o aumento dos poluentes atmosféricos e gases de efeito estufa. Em contrapartida, a acentuação da busca por processos industriais e métodos de geração de energia mais eficientes, favoráveis ambientalmente e economicamente, é uma decorrência do alinhamento das políticas públicas mundiais com respeito à mitigação dos problemas ambientais, em paralelo à conscientização da limitação dos recursos de combustíveis fósseis. Nas mais diversas atividades industriais, uma quantidade enorme de calor residual é rejeitada na atmosfera. A recuperação desta energia não aproveitada é uma forma efetiva de proporcionar o aumento da eficiência de sistemas térmicos. Neste contexto, ciclos ORC e S-CO2 despontam como duas das mais promissoras tecnologias para geração de energia elétrica, por meio do aproveitamento de fontes de calor a baixas temperaturas. Estes ciclos são alternativas para transformação de energia em que as condições das fontes de calor aproveitadas limitam técnica e economicamente a aplicação de outras tecnologias. A presente tese apresenta a metodologia do desenvolvimento de uma ferramenta de cálculo computacional para projeto de ciclos ORC e S-CO2 avaliando as propriedades da operação dos ciclos, além do projeto conceitual de seus principais equipamentos: o expansor e os trocadores de calor.  A ferramenta computacional é utilizada na otimização multiobjetivo da operação em nível de sistema e de equipamentos, com o algoritmo genético NSGAII, visando maximizar a capacidade de geração de energia e minimizar a área do ciclo. Neste estudo foi avaliada a aplicação dos ciclos ORC e S-CO2 para geração de eletricidade pela recuperação de calor dos processos de uma plataforma FPSO (Floating Productions Storage Offloading) de exploração e processamento de petróleo offsshore. O suporte à demanda de eletricidade em FPSOs é um grande desafio devido principalmente às suas restrições ao espaço físico, limitação de peso e segurança. A análise desenvolvida nesta Tese visa apontar soluções ótimas para operação dos ciclos avaliados, tendo em vista o aumento da geração de eletricidade e eficiência dos processos de uma FPSO brasileira.
     


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  • Global energy demand has grown steadily over the past few decades, increasing the number of air pollutants and greenhouse gases. On the other hand, the accentuation of the search for more efficient, environmentally and economically efficient industrial processes and methods of generation is due to the alignment of the global public policies with respect to the mitigation of the environmental problems, in parallel to the awareness of the limitation of the resources of fossil fuels. In the most diverse industrial activities, a huge amount of residual heat is rejected in the atmosphere. The recovery of this untapped energy is an effective way of increasing the efficiency of thermal systems. In this context, ORC and S-CO2 cycles emerge as two of the most promising technologies for electric energy generation, using lowtemperature heat sources. These cycles are alternatives for energy transformation in which the conditions of the heat sources used technically and economically limit the application of other technologies. The present thesis presents the methodology of the development of a computational calculation tool for ORC and S-CO2 cycles design, evaluating the properties of the cycle‟s operation, as well as the conceptual design of its main equipment: the expander and the heat exchangers. The computational tool is used in the multiobjective optimization of system and equipment level operation, with the genetic algorithm NSGAII, aiming at maximizing the power generation capacity and minimizing the cycle area. In this study, the application of the ORC and S-CO2 cycles for the generation of electricity by the heat recovery of the processes of an FPSO (Floating Productions Storage Offloading) platform of offshore oil exploration and processing was evaluated. Supporting the demand for electricity in FPSOs is a major challenge, mainly due to their restrictions on physical space, weight limitation, and safety. The analysis developed in this thesis aims to point out optimal solutions for the operation of the evaluated cycles, considering the increase of electricity generation and process efficiency of a Brazilian FPSO.
     
    Organic Rankine Cycle, Supercritical CO2 Cycle, FPSO, Multiobjective optimization

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  • DIANA SILVA SIQUEIRA
  • Utilização de Exergia Para o Diagnóstico de Centrais Nucleares

  • Orientador : ROGERIO JOSE DA SILVA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DAGOBERTO CÁSSIO DA SILVA
  • GENESIO JOSE MENON
  • JOSE ANTONIO PERRELLA BALESTIERI
  • MARCELO JOSE PIRANI
  • MARIA LUIZA GRILLO RENO
  • ROGERIO JOSE DA SILVA
  • Data: 11/11/2019

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  • A energia nuclear é uma fonte de energia com geração firme, elevado fator de capacidade,
    emissão de gases de efeito estufa similar às centrais renováveis, e seus altos custos de
    implantação são compensados pelos baixos custo de geração e manutenção. Como tais centrais
    apresentam elevadas potências e operam por longos períodos ininterruptamente, pequenas
    oscilações ou mau funcionamento de seus equipamentos implicam em perdas significativas de
    energia. Logo, uma operação eficiente da central é importante para garantir uma máxima
    produção de energia. O uso de técnicas de monitoramento e diagnósticos nas centrais nucleares
    são fundamentais neste processo, a fim de localizar pontos de perdas de energia não planejada,
    permitindo compreender a sua origem e buscar alternativas de mitigar ou mesmo eliminar essas
    perdas. Este trabalho faz uso da exergia para realizar a avaliação de três centrais nucleares com
    reatores PWR buscando identificar e quantificar as irreversibilidades dos equipamentos, quando
    a central operar na condição de projeto e para condição de válvulas completamente abertas
    (VWO). As análises das turbinas de alta e baixa pressão das centrais nucleares foram avaliadas
    a partir de normas da ASME (ASME PTC 6, ASME 6A e ASME 6S). A utilização das normas
    da ASME permitiu obter para a turbina de baixa pressão: entalpia corrigida na sua exaustão, a
    curva de expansão do vapor, a sua eficácia e a quantificação da água extraída. Os resultados
    permitem concluir que a variação das vazões mássica na central nuclear pode contribuir para a
    elevação da irreversibilidade de alguns equipamentos, porém pode favorecer a redução em
    outros, de acordo com a condição de operação do circuito secundário. De modo geral, observouse
    que as irreversibilidades dos equipamentos irão seguir uma tendência de crescimento ou
    redução de acordo com as diferentes condições de operação da central, mas esta tendência de
    crescimento ou de redução não é observada para as eficiências exergéticas dos equipamentos,
    que apresentaram resultados bem distintos entre as condições e as centrais analisadas. As
    análises permitiram perceber ainda que a turbina de baixa pressão na condição de válvulas
    completamente abertas (VWO) tem uma irreversibilidade maior que para a condição de projeto,
    porém o seu ganho de potência é substancialmente maior, compensando assim a elevação da
    sua irreversibilidade nesta condição.


  • Mostrar Abstract
  • Nuclear power is a source with firm power, high capacity factor, greenhouse gas emissions
    similar to renewable plants, and its high implementation costs are compensated by low
    generation and maintenance costs. As such plants have high power and operate for long periods
    uninterruptedly, small fluctuations or malfunctioning of their equipment imply significant
    energy losses. Therefore, efficient operation plant is important to ensure maximum energy
    production. The use of monitoring and diagnostic techniques in nuclear power plants are
    fundamental in this process, in order to locate points of unplanned energy losses, allowing to
    understand its origin and seeking alternatives to mitigate or even eliminate these losses. This
    work makes use of exergy to evaluate three nuclear power plants with PWR reactors seeking to
    identify and quantify the equipment irreversibilities, when the plant operates in the design
    condition and in Valve Wide Open (VWO) condition. The analyses of high and low pressure
    turbines of nuclear power plants were evaluated according to ASME standards (ASME PTC 6,
    ASME 6A and ASME 6S). The use of ASME standards allowed us to obtain for the lowpressure
    turbine: corrected enthalpy in its exhaust, the steam expansion curve, its effectiveness
    and the quantification of the extracted water. The results allow us to conclude that the variation
    in mass flow in the nuclear power plant may contribute to increasing the irreversibility of some
    equipment, but it may favour the reduction of others, according to the operating condition of
    the secondary circuit. In general, it was observed that the equipment irreversibilities will follow
    a tendency of growth, or reduction, according to the different operating conditions of the plant,
    but this tendency of growth or reduction is not observed for the exergetic efficiencies of the
    equipment, which presented very distinct results between the conditions and the analyzed in the
    power plants. The analyses also allowed us to perceive that the low-pressure turbine in the
    condition of wide open valves (VWO) has a higher irreversibility than the one for the design
    condition, although its power gain is substantially higher, thus compensating the increase of its
    irreversibility in this condition.

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  • ÉTORY MADRILLES ARRUDA
  • Otimização robusta multi-objetivo do processo de fresamento do aço ABNT H13 endurecido utilizando ferramentas de topo esférico

  • Orientador : JOAO ROBERTO FERREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOAO ROBERTO FERREIRA
  • EDMILSON OTONI CORREA
  • ANDERSON PAULO DE PAIVA
  • CARLOS HENRIQUE LAURO
  • FREDERICO OZANAN NEVES
  • LINCOLN CARDOSO BRANDÃO
  • Data: 09/12/2019

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  • O projeto e a manufatura de superfícies complexas, como moldes e matrizes, representam um importante aspecto de toda cadeia produtiva, pois muitas das peças fabricadas atualmente, são feitas por processos que requerem estes ferramentais. O cenário da concorrência de mercado requer a constante inovação tecnológica das empresas do setor, exigindo destas uma produção com maior qualidade e exatidão, com menores tempos de entrega e custos de produção. O fresamento com altas velocidades utilizando ferramentas de topo esférico é uma operação clássica para o acabamento de superfícies complexas de moldes e matrizes. O presente trabalho tem por fim a otimização robusta multi-objetivo do processo de fresamento do aço ABNT H13 endurecido utilizando ferramentas de topo esférico. Foram realizados experimentos seguindo um planejamento composto central combinando variáveis de controle (avanço por dente, profundidades axial e radial de corte e velocidade de corte) e variáveis de ruído (comprimento em balanço da ferramenta, ângulo de inclinação da superfície usinada, desgaste da ferramenta e estratégia de corte). As características de interesse avaliadas foram a rugosidade da superfície usinada, a força de usinagem e a taxa de remoção de material. Foram aplicadas as metodologias de superfície de resposta, de projeto de parâmetro robusto, do erro quadrático médio, da análise fatorial e da interseção normal à fronteira. Assim, foram analisados e discutidos os efeitos das variáveis de controle e de ruído, bem como as interações destas sobre as características de interesse. O desgaste da ferramenta foi a variável que mais influenciou a rugosidade e a força de usinagem. O ângulo de inclinação da superfície usinada foi a variável que mais influenciou a taxa de remoção de material. Os valores obtidos para a rugosidade Ra variaram entre 0,208 e 3,013 μm. A força de usinagem variou entre 3,1 e 112,0 N, e a taxa de remoção de material variou entre 23,2 e 175,7 mm3/min. A otimização da média e da variância de cada característica de interesse foi realizada, bem como a otimização do erro quadrático médio. Verificada a existência de correlação entre as características de interesse, três fatores ortogonais e independentes entre si foram extraídos e a otimização robusta multi-objetivo foi realizada. Assim, 54 soluções Pareto-ótimas foram obtidas, contribuindo para a melhoria da qualidade e da produtividade na fabricação de moldes e matrizes. Experimentos de confirmação foram realizados e confirmaram a robustez da rugosidade Ra e da força de usinagem em relação às variáveis de ruído. Ensaios de vida da ferramenta de topo esférico foram realizados e indicaram uma vida superior à 100 min.


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  • The design and manufacturing of complex surfaces, such as molds and dies, represent an important aspect of the entire production chain, since many of the parts manufactured today are made by processes that require these tools. The market competition scenario requires a constant technological innovation of the companies of the sector, demanding production with greater quality and precision, with shorter delivery times and production costs. High speed milling using ball nose end mills is a classic operation for the finishing of complex surfaces of molds and dies. The present work aims at the multi-objective robust optimization of the milling process of AISI H13 hardened steel using ball nose end mills. Cutting tests were carried out following a central composite design combining process variables (feed per tooth, axial and radial cutting depths and cutting speed) and noise variables (tool overhang length, workpiece tilt angle, tool wear and cutting strategy). The characteristics of interest evaluated were the machined surface roughness, the machining force and the material removal rate. Response surface methodology, robust parameter design, mean square error, factor analysis and normal boundary intersection were applied. Thus, the effects of the control and noise variables were analyzed and discussed, as well as their interactions on the characteristics of interest. Tool wear was the variable that most influenced the machined surface roughness and the machining force. The workpiece tilt angle was the variable that most influenced the material removal rate. The values obtained for surface roughness Ra ranged from 0.208 and 3.013 μm. Machining force ranged from 3.1 and 112.0 N, and the material removal rate ranged from 23.2 and 175.7 mm3/min. The mean and variance optimization of each characteristic of interest was performed, as well as the mean square error optimization. Verified the correlation between the characteristics of interest, three orthogonal and independent factors were extracted and robust multi-objective optimization was performed. Thus, 54 Pareto-optimal solutions were obtained, contributing to the improvement of quality and productivity in molds and dies manufacturing. Confirmation runs were performed and confirmed the robustness of surface roughness Ra and machining force in relation to noise variables. Tool life tests were performed and indicated a life greater than 100 min.

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  • FERNANDO BATISTA PINTO
  • ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE RESÍDUOS METÁLICOS NAS PROPRIEDADES DO CONCRETO AUTOADENSÁVEL - CAA

  • Orientador : MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • LUISA ANDREIA GACHET BARBOSA
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • REGINA MAMBELI BARROS
  • ROSA CRISTINA CECCHE LINTZ
  • VANDER ALKMIN DOS SANTOS RIBEIRO
  • Data: 11/12/2019

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  • Este trabalho propôs analisar a influência nas propriedades mecânicas, reológicas e de durabilidade de um Concreto Autoadensável (CAA) que teve substituição de diferentes porcentagens de areia por cavaco metálico e o uso simultâneo de resíduo pó de mármore como filler. Para tanto, foi desenvolvido um traço referência de CAA, que atendeu a todos os parâmetros da ABNT NBR 15823:2017. Este CAA-REF foi alterado com inclusão de quatro proporções crescentes de cavaco metálico (25, 37,5, 50 e 75%) e então, estes novos concretos foram ensaiados e suas propriedades, tanto no estado fresco quanto no endurecido foram comparadas. A elaboração do traço partiu do princípio de empacotamento de partículas e otimização da pasta. O traço do CAA-REF teve o fator (a/c) água/cimento=0,35, (SA/c) sílica ativa/cimento=0,06, (SP/C) superplastificante/cimento=0,008. Foi adotada nesta pesquisa uma nova sequência de mistura dos componentes do concreto na betoneira que se mostrou muito eficiente. Os ensaios de pasta e argamassa do CAA-REF demonstraram as características de alta fluidez e moderada viscosidade.  O CAA-REF atingiu todos os parâmetros de um concreto autoadensável no estado fresco e no estado endurecido em que apresentou excelentes resultados para os parâmetros de resistência e durabilidade. Para produção dos traços com cavacos metálicos houve necessidade de pequenas correções de SA/c e a/c para algumas substituições. Os traços de CAA-CM atingiram todos os parâmetros de um CAA no estado fresco com exceção do CAACM 75 que não alcançou os parâmetros da caixa L. Comparando os resultados de todos os concretos pode-se concluir que a substituição de areia pelo cavaco metálico é muito viável e com substituição de até 50% não se altera significativamente nenhuma das propriedades registradas pelo CAA-REF tanto no estado fresco como no endurecido. Segundo a ABNT NBR 8953:2015 todos os concretos atingiram resistência à compressão que os classificam como estrutural e de alto desempenho.  A resistência à tração de todos os concretos se encontra em torno de 10% das suas resistências à compressão. Os valores do módulo de elasticidade decresceram com o aumento da substituição. O CAA-CM 75 apresentou módulo de elasticidade 20% menor que do REF. A dureza superficial dos concretos cresce com até 37,5% de substituição, acima deste valor decresce, mas mantendo valor equiparado ao do CAA-REF. A absorção A% e índice de vazios Iv% dos concretos cresceram com o aumento da substituição, mas seus índices baixos os enquadram como concretos duráveis. Apenas O CAA-CM 75 é classificado como deficiente. Todos os concretos apresentaram baixos valores de absorção capilar. Todos os concretos apresentaram resistividade elétrica aos 28 dias entre 100 e 200 Ω.m, significando baixa probabilidade de corrosão. Já o CAA-CM75 apresentou alta probabilidade de corrosão.  
    Palavras


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  • This work aimed to analyze the influence on the mechanical, rheological and durability properties of a Self Compacting Concrete - SCC that had different percentages of sand replaced by metal slag and the simultaneous use of marble powder residue as a filler. To this end, a SCC Mix Reference was developed to meet all parameters of the ABNT NBR 15823: 2017. This SCC-REF was changed with the inclusion of four increasing proportions of metal slag (MS) (25, 37.5, 50 and 75%), then these new concretes were tested, and its properties, both fresh and hardened, were compared. The elaboration of the mix control assumed the principle of particle packing and paste optimization. The SCC-REF had the factor water/cement a / c = 0.35, silica fume SF / cement = 0.06, superplasticized/cement SP / c = 0.008. A new sequence of mixing concrete components in the concrete mixer was adopted in this research, which proved to be very efficient. The paste and mortar tests of the SCC-REF demonstrated the characteristics of a high flowability and moderate viscosity. The SCC-REF achieved all parameters of a fresh and hardened self-compacting concrete where it presented excellent results for parameters such as strength and durability. For the production of the mixtures aces with metal chips, small corrections of SF / c and a / c were necessary in some substitutions. Every SCC -MS mix reached all parameters of a fresh state SCC, with the exception of the SCC -MS 75, which did not reach the parameters of the L box. Comparing the results of all concretes, it can be concluded that the replacement of sand by MS is very viable and with replacement up to 50% does not significantly change any of the properties registered by the SCC-REF in both fresh and hardened state. According to the ABNT NBR 8953:2015 all concretes have achieved resistance to a compressive that classify them as structural and high performance. The splitting tensile strength of every concrete is around 10% of its compressive strengths. The values of the module of elasticity decreased with the increment of the substitution. The SCC -MS 75 presented a module of elasticity 20% lower than the mix REF. The surface hardness of concrete grows up to 37.5 of substitution, above this value, it decreases, but maintains a value equivalent to the SCC -REF. The Absorption A% and void index Iv% of concretes increased with the enhance of the substitution, but their low values indicate a durable concrete. Only the SCC -CM 75 is classified as inefficient. All concretes presented low capillary absorption values. Every concrete presented electrical resistivity at 28 days between 100 and 200 Ω.m. Meaning low probability of corrosion. The SCC -CM75 had a high probability of corrosion.  
     

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  • DAOUDA KANE
  • EFEITO DO ESCALONAMENTO NA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DE COMPÓSITOS TERMOPLÁSTICOS DE FIBRA DE CARBONO

  • Orientador : ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS ANCELOTTI JUNIOR
  • GUILHERME FERREIRA GOMES
  • JESUS ANTONIO GARCIA SANCHEZ
  • PAULO SHIGUEME IDE
  • RICARDO MELLO DI BENEDETTO
  • VANESSA BAWDEN DE PAULA MACANHAN DE ARRUDA
  • Data: 12/12/2019

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  • Em projetos de estruturas fabricadas com materiais compósitos, é comum se deparar com a necessidade de variar a espessura do laminado, para atender uma exigência do projeto em termos geométricos ou para melhorar o desempenho mecânico. Esta variação da espessura (ou escalonamento) pode ser feita por meio da interrupção ou adição de camadas em diferentes posições no laminado. Uma característica negativa e inerente a esta construção é a possibilidade de ser formar defeitos tais como porosidade ou áreas ricas em resina na região do escalonamento e consequente descontinuidades geométricas que podem causar falha interlaminar prematura na interface entre as camadas interrompidas e contínuas. Assim, este trabalho tem como objetivo estudar o efeito do escalonamento e sua influência nas propriedades mecânicas finais do compósito termoplástico reforçado com fibra de carbono. Para tal, uma comparação numérico-experimental foi inicialmente realizada para possibilitar uma avaliação mais ampla das possíveis configurações de escalonamento. Corpos de prova com escalonamento interno foram fabricados e a máquina de tração INSTRON 8801 equipada com equipamento de Correlação Digital de Imagens (CDI) foi utilizada para realizar os ensaios. Para efeito de validação numérico-experimental e análise de outras configurações de escalonamento, foi criado um modelo representativo do corpo de prova em três dimensões (3D), utilizando o método de elementos finitos para calcular tensões, deformações e deslocamentos. Os resultados numéricos são condizentes com os resultados experimentais, validando o modelo numérico. O critério de falha de Tsai Wu foi implementado na análise numérica para verificar a ocorrência da primeira falha nos drop-off. Os resultados das simulações mostram que a orientação e a posição dos drop-off influenciam as tensões desenvolvidas, as deformações, o deslocamento e a resistência do compósito. De maneira geral, as primeiras falhas ocorrem na interface entre as camadas interrompidas e as contínuas, ao final da região de transição da espessura maior para a menor. As tensões e as deformações aumentam com a redução da espessura e a resistência do compósito aumenta quando os drop-off mais próximos da espessura menor estiverem posicionados acima do eixo médio e orientados a ±45°.


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  • In laminate composite structure design, it is common to deal with the need to vary the thickness of the laminate to meet a geometrical design requirement or to improve mechanical performance. This variation of thickness can be achieved by terminating or adding plies at different locations over the laminate. A negative and inherent feature of this construction is the possibility of forming defects such as porosity or resin-rich area at the ply drop region and consequent geometric discontinuities that may cause premature interlaminar failure at interfaces between dropped and continuous plies. Thus, this work aims to study the effect of ply drop-off and its influence on the final mechanical properties of carbon fiber thermoplastic composite laminate. For this, numerical and experimental comparative analyses were initially performed to enable a broader assessment of laminate layup possibilities. Specimens with internal drop-off were manufactured and tensile test was performed on an INSTRON 8801 tensile machine equipped with Digital Image Correlation (DIC) equipment. For the purpose of numerical-experimental validation and analysis of other layup, a numerical model was carried out in 3D by using finite element to calculate stresses, strains and displacements. Numerical and experimental results showed good agreement, validating the numerical model. Tsai Wu's failure criterion was implemented to predict initiation of first ply failure. Numerical results show that orientation and position of drop-offs have influence on stresses, strains, displacement and strength of tapered laminate. In general, first ply failure occurs at the interface between the dropped and continuous plies at the drop-off closer to the thinner section of the laminate. Stresses and strains increase as thickness decreases and composite strength increases when drop-off closest to the thinner section are positioned above the mid-axis and oriented at ± 45°.
     
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  • ANTONIO CARLOS BARKETT BOTAN
  • OTIMIZAÇÃO DE UM MODELO DE TURBINA HIDRÁULICA TIPO BULBO APLICADA EM CONDIÇÕES DE QUEDA ULTRABAIXA

  • Orientador : RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANGIE LIZETH ESPINOSA SARMIENTO
  • FRANCISCO DE SOUSA JUNIOR
  • GERALDO LUCIO TIAGO FILHO
  • JERSON ROGERIO PINHEIRO VAZ
  • OSWALDO HONORATO DE SOUZA JUNIOR
  • RAMIRO GUSTAVO RAMIREZ CAMACHO
  • Data: 19/12/2019

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  • Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização para o incremento da eficiência hidráulica de um protótipo de turbina de queda ultrabaixa através da modificação geométrica do tubo de sucção, tendo como função objetivo a maximização do coeficiente de recuperação de pressão, Cp. Em uma primeira abordagem, no plano meridional 2D, foram parametrizadas curvas e a introdução de um hidrofólio no tubo de sucção. Para o cálculo do escoamento utilizou-se ferramenta comercial de Dinâmica dos Fluidos Computacional - DFC (ANSYS Fluent®), integrado com algoritmos de otimização estocástico MOSA (Multi-Objective Simulated Annealing), baseado no Recozimento Simulado, através da população de combinações de 12 variáveis geométricas realizada através de um plano de experimentos aleatório. O resultado obtido com a otimização foi comparado com outras configurações geométricas do tubo de sucção caracterizando um maior valor de Cp. Com base na abordagem 2D, os casos analisados foram estendidos para as análises tridimensionais, com o objetivo de comparar quantitava e qualitativamente os resultados do comportamento hidrodinâmico no tubo de sucção. Por fim, uma análise comparativa por DFC entre a turbina composta pelo tubo de sucção original e a turbina com tubo de sucção otimizado foi realizada, comprovando um aumento na eficiência hidráulica da turbina de 82% para 84%. A metodologia aplicada foi satisfatória considerando a otimização da geometria do tubo de sucção, que representou um aumentar a eficiência hidráulica da turbina. Esta metodologia de análise 2D-3D, tem como vantagem o baixo custo computacional na integração de DFC e algoritmos de otimização, mesmo com uma considerável quantidade de variáveis de projeto.


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  • This work presents an optimization methodology to increase the hydraulic efficiency of a prototype of ultra-low head turbine through the geometric modification of the draft tube, with the objective of maximizing the pressure recovery coefficient, Cp. In a first approach, in the 2D meridional plane, curves were parameterized and the introduction of a hydrofoil in the draft tube. For calculating the flow, a commercial tool of Computational Fluid Dynamics - CFD (ANSYS Fluent®) was used, integrated with stochastic optimization algorithms MOSA (Multi-Objective Simulated Annealing), based on Simulated Annealing, through the population of combinations of 12 geometric variables carried out through a random design of experiments plan. The result obtained with the optimization was compared with other geometric configurations of the draft tube featuring a higher Cp value. Based on the 2D approach, the cases analyzed were extended to three-dimensional analyzes, with the objective of comparing quantitatively and qualitatively the results of the hydrodynamic behavior in the draft tube. Finally, a comparative analysis by CFD between the turbine composed by the original draft tube and the turbine with optimized draft tube was performed, proving an increase in the hydraulic efficiency of the turbine from 82% to 84%. The applied methodology was satisfactory considering the optimization of the draft tube geometry, which represented an increase in the hydraulic efficiency of the turbine. This 2D-3D analysis methodology has the advantage of low computational cost in the integration of CFD and optimization algorithms, even with a considerable number of design variables.

2018
Dissertações
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  • FABIANO BITTENCOURT DOS SANTOS
  • ESTUDO DA DOSAGEM DE CONCRETO UTILIZANDO EMPACOTAMENTO DE PARTÍCULAS SEM E COM ADIÇÃO DE RESÍDUO DE PNEU

  • Orientador : MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • LUISA ANDREIA GACHET BARBOSA
  • MIRIAN DE LOURDES NORONHA MOTTA MELO
  • ROSA CRISTINA CECCHE LINTZ
  • VALQUIRIA CLARET DOS SANTOS
  • Data: 24/08/2018

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  • A análise do comportamento do concreto utilizando resíduo de pneus tem como objetivo uma
    destinação adequada para resíduos industriais que é um problema global. A inserção de
    materiais em concretos é estudada em alguns lugares como a casca de arroz no Paquistão,
    clínquer de óleo de palmeiras na Malásia, resíduo de pneu no Iran e Inglaterra entre outros.
    Um dos maiores avanços na tecnologia do concreto na atualidade é o CAA. Este possui
    diversas qualidades para o uso em grande escala como o uso de menos mão de obra, menor
    ruído, melhor acabamento, maior resistência mecânica, utilização em formas complexas etc.
    Neste trabalho são analisados alguns métodos de dosagem para a produção de CAA e a
    execução de uma primeira tentativa de dosagem projetada com base o Método de Andreasen
    Modificado. Verificando as propriedades mecânicas do concreto sem o resíduo de pneu e
    depois substituindo uma parte da areia por pó de pneu na mistura e comparando a variação da
    resistência à compressão das amostras. Como resultado o traço de controle sem o pó de pneu
    alcançou uma resistência á compressão maior que os concretos convencionais. Com a adição
    do pó de pneu houve uma queda na resistência à compressão e também uma perda na
    trabalhabilidade da mistura, porém foi obtido um concreto com uma resistência à compressão
    razoável para vários serviços como calçadas, sarjetas, pisos de passagem etc.


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  • The analysis of the mechanical behavior of concrete using waste tire aims at a suitable
    destination for industrial waste which is a global problem. The insertion of residue into
    concrete is studied in some places such as rice husk in Pakistan, clinker of palm oil in
    Malaysia, tire residue in Iran and England among others. One of the biggest advances in
    concrete technology today is the CAA. It has several qualities for large-scale use such as the
    use of less labor, less noise, better finishing, higher mechanical strength, use in complex
    shapes etc. In this work some dosing methods for CAA production and the execution of a first
    designed dosing attempt based on the Modified Andreasen Method are analyzed. Verifying
    the mechanical properties of the concrete without the tire residue and then replacing a part of
    the sand with the tire powder in the mixture and comparing the variation of the compressive
    strength of the samples. As a result the control sample without the tire powder achieved a
    higher compressive strength than conventional concretes. With the addition of the tire powder
    there was a decrease in the compressive strength and also a loss in the workability of the
    mixture, but a concrete with a reasonable compressive strength was obtained for several
    services such as sidewalks, gutters, walkways, etc

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