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Análise da formulação em Monte Carlo dos pacotes de energia multiespectrais aplicada a meios constituídos por vapor d'água
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2014-08-30) Bezerra, Yuri Shalom de Freitas; Maurente, André Jesus Soares; ; ; Tapia, Gabriel Ivan Medina; ; Bessa, Kleiber Lima de; ; Cassol, Fabiano;
O método de Monte Carlo é preciso e, quando comparado com outras técnicas numéricas, é de relativamente fácil implementação para a solução de problemas envolvendo geometrias complexas e espalhamento anisotrópico da radiação. Além disso, diferentemente do que ocorre para a maioria das técnicas numéricas, cujo tempo necessário para a execução de simulações tende a crescer exponencialmente à medida que a complexidade do problema aumenta, no Monte Carlo, o aumento no tempo computacional tende a ser linear. Ainda assim, as soluções em Monte Carlo são computacionalmente pesadas para a solução da maioria dos problemas de interesse. O modelo dos Pacotes de Energia Multiespectrais permite a redução dos tempos computacionais associados às soluções através do método de Monte Carlo. O modelo é aqui analisado para aplicações em meios constituídos por espécies não-participantes e vapor d´água, que é um importante emissor de radiação formado na combustão de hidrocarbonetos. Aspectos relacionados à otimização dos tempos computacionais são investigados e soluções obtidas com o modelo são comparadas com soluções linha-por-linha benchmark.
Análise da transferência de calor por radiação em combustor de Turbina Turbo-FAN pelo Método LBL
(2019-02-11) Alves, Camilo Gustavo Araújo; Maurente, André Jesus Soares; ; ; Centeno, Felipe Roman; ; Toro, Paulo Gilberto de Paula;
As turbinas são máquinas térmicas e podem ser classificados como estacionários ou não estacionários, dentre as turbinas não estacionárias a aplicação industrial que mais tem recebido destaque atualmente é a indústria aeronáutica. Neste segmento, a turbina turbo-fan é o tipo de motor mais utilizado no transporte de passageiros e de cargas. Por ser uma máquina térmica o turbo-fan é um equipamento sujeito as dinâmicas associadas à transferência de calor. A análise deste modo de transferência de calor possibilita melhor seleção dos materiais utilizados na fabricação das turbinas aeronáuticas, controle dos produtos indesejados da combustão e maior segurança em seu regime de funcionamento, relacionado principalmente ao controle dos HotStreaks, principal mecanismo de falha nas turbinas. O objetivo deste trabalho é analisar a transferência de calor por radiação dentro de um combustor de turbina turbo-fan com parâmetros de combustão e geometria predefinida. Os campos de temperatura e fração molar das espécies emissoras e absorvedoras de energia radiativa utilizados na análise foram obtidos pelo Glenn Research Center (NASA), que simularam combustão, turbulência e convecção na câmara de combustão, mas desconsideraram a transferência de calor por radiação. A análise feita no trabalho foi para um caso unidimensional. A análise do calor convertido foi feita através de rotinas computacionais aplicadas sobre uma linha unidimensional dentro do combustor da turbina. Dessa linha foram obtidos 93 pontos de temperaturas e frações molares de gases participantes (𝐶𝑂, 𝐻2𝑂 𝑒 𝐶𝑂2), que para melhorar a performance computacional, foram agrupados em 25 grupos. O banco de dados utilizado nesta pesquisa foi o HITEMP2010 que forneceu informações características espectrais para cada grupo de Frações Molares e temperaturas de cada gás participante. Com base nesses dados o método Linha-por-Linha (LBL) foi utilizado para obter os coeficientes de absorção característicos para cada fração molar de substância participante e temperatura, fixando-se a pressão em 3 atm. Os coeficientes de absorção, juntamente com as seções transversais de absorção foram utilizados na solução da transferência radiativa (RTE), através do método dos Volumes Finitos, fornecendo o fluxo radiativo e o divergente do fluxo para as condições que foram estabelecidas. Este trabalho possibilitará uma melhor compreensão da distribuição e quantificação do fluxo de calor no motor, gerando melhor entendimento sobre as dinâmicas de combustão, melhor escolha de materiais do dispositivo e maior segurança contra falhas inerentes ao equipamento. Observouse neste sistema descontinuidades na curva devido aos processos dinâmicos da malha de temperatura e Frações Molares, onde o fluxo de calor radiativo na região imediatamente após o queimador do combustor apresentou valor de aproximadamente 24 𝑀𝑊/𝑚2 e na região das aletas de direcionamento do fluxo de 21 𝑀𝑊/𝑚2 para a mistura das substâncias, em que a influencia majoritária foi do 𝐻2𝑂.
Análise de um sistema de refrigeração por absorção com mistura água-brometo de lítio
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2018-12-13) Noberto, Luis Gabriel de Matos; Cavalcanti, Eduardo José Cidade; Souza, Thiago Cardoso de; Maurente, André Jesus Soares
No presente trabalho é realizada uma análise energética de um sistema de refrigeração por absorção com par água-brometo de lítio, com capacidade de refrigeração de 4,25 TR. Concentradores solares cilíndricos parabólicos são utilizados para absorver a radiação solar e servir como fonte de calor necessária para o funcionamento do ciclo. O modelo do sistema foi estudado no software Engineering Equation Solver (EES) e foram calculados os seus parâmetros termodinâmicos. A partir da avaliação da primeira e segunda lei da termodinâmica foram determinados o coeficiente de performance (COP) do sistema, a irreversibilidade de cada componente e a eficácia dos trocadores de calor. O sistema avaliado apresentou um coeficiente de desempenho de 0,713. A maior irreversibilidade é apresentada no gerador em que possui um valor máximo de 2,638 kW. Para a determinação da área total de coletor solar que fornecerá o calor para o sistema, foram analisados os parâmetros de um protótipo de coletor construído e testado anteriormente no laboratório de energia solar da UFRN, no trabalho realizado por (Souza Filho, 2008). No presente trabalho, o calculo da área é realizado em função de dois parâmetros: a irradiação solar e a temperatura de saída do coletor, a menor área necessária encontrada foi de 49,26 m², equivalente a 22 coletores.
Análise do método dos pacotes de energia multi-espectrais: determinação do número de sub-pacotes para a minimização do tempo computacional
(2016-07-23) Negócio, Denis Alexandre de Rubim Costa; Maurente, André Jesus Soares; ; ; Silva, Rogério Brittes da; ; Souza, Sandi Itamar Schafer de;
Sistemas de combustão são comuns na engenharia mecânica, e a radiação é um importante modo de transferência de calor nestes sistemas. Portanto, a simulação da troca de calor por radiação é bastante útil na concepção de equipamentos de combustão e otimização de processos de combustão. Entre os métodos computacionais usados para solucionar a transferência de calor por radiação, o método de Monte Carlo é preciso e pode facilmente lidar com problemas que envolvem geometria complexa, espalhamento anisotrópico e dependência espectral das propriedades radiativas. Contudo, o método de Monte Carlo é computacionalmente dispendioso. Além disso, considerar com precisão as propriedades espectrais de emissão/absorção do meio também é altamente demorado. Então, reduzir o tempo computacional no Monte Carlo que leva em conta com precisão a dependência do coeficiente de absorção com o comprimento de onda é altamente desejável. O método dos pacotes de energia multi-espectrais (MSB) é um método que reduz o tempo computacional associado às simulações em Monte Carlo de um meio dependente das propriedades espectrais. Nesta pesquisa é proposta e aplicada uma metodologia para uma avaliação precisa do MSB aplicado em conjunto com o modelo espectral da soma-ponderada-de-gases-cinzas baseado nas linhas espectrais para a solução da transferência de calor por radiação em um meio composto por vapor d’água e espécies não-participantes. Os resultados preliminares mostram que a metodologia proposta é capaz de fornecer resultados precisos, que permitem realizar uma análise mais conclusiva sobre o MSB em comparação com os resultados anteriormente apresentados na literatura (Maurente e França (2015)). A metodologia proposta será aplicada para avaliar o MSB para 30 casos diferentes de meios compostos por vapor d’água e espécies não participantes.
Análise energética de uma caldeira mista utilizando cavaco de bambu como combustível
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-04-14) Santos, Erick Breno Azevedo dos; Cavalcanti, Eduardo José Cidade; Maurente, André Jesus Soares; Souza, Thiago Cardoso de
O processo de combustão é amplamente utilizado como fonte de energia para geração de vapor e eletricidade nas indústrias. A utilização da biomassa por ser uma fonte de energia renovável é uma solução alternativa para substituição dos tradicionais combustíveis fósseis e poluentes. Neste trabalho é apresentado a modelagem matemática da combustão completa a partir da composição elementar da biomassa e a análise energética de uma caldeira flamotubular mista que utiliza cavaco de bambu como combustível para fornecer vapor para o processo de uma indústria têxtil de grande porte. A produção da caldeira apresentada no ensaio de queima foi de 7900 kg/h e sua pressão de trabalho de 9,95 kg/cm², produzindo vapor saturado. A modelagem é realizada no software EES e são adicionados parâmetros importantes no processo de combustão como poder calorífico útil, excesso de ar, percentual de umidade do combustível, entalpia de formação da biomassa e posteriormente são estabelecidas relações de eficiência geral da caldeira através da aplicação de balanços da primeira lei da termodinâmica. O cavaco de bambu apresentou boas condições energética para utilização como combustível, a caldeira apresentou 74,05% de eficiência pelo método direto, e um dos principais pontos de regulagem observados foi o excesso de ar que estava em 19,4%.
Analysis of different approaches for the phase function in plasmonic photothermal therapy
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-12-16) Sousa, Anderson Nunes de; Maurente, André Jesus Soares; http://lattes.cnpq.br/8073368791527116; http://lattes.cnpq.br/1056937426529210; Orlande, Helcio Rangel Barreto; Souza, Thiago Cardoso de; https://orcid.org/0000-0002-2434-8322; http://lattes.cnpq.br/2874612687747843
A terapia fototérmica é um tratamento para o câncer em que a luz de um laser é utilizada para irradiar uma região de um tecido humano acometida pela doença. Utiliza-se um laser cujo comprimento de onda é tal que o tecido irradiado seja semitransparente à sua radiação. Dessa forma a radiação propaga-se enquanto vai sendo parcialmente absorvida, permitindo assim o aquecimento de um volume de tecido. O ideal é que a região doente seja aquecida e mantida a uma temperatura acima de um valor para o qual células sejam destruídas após certo intervalo de tempo; entretanto, evitando-se o sobreaquecimento de regiões circundantes sadias. Para otimizar o processo, muitas vezes faz-se uso de nanopartículas que são altamente absorvedoras à radiação do laser. Tais partículas são geralmente feitas ou revestidas de ouro, devido à baixa toxicidade desse material. Um código computacional capaz de predizer de forma precisa o campo de temperaturas durante a terapia é bastante desejável, pois poderia ser utilizado para orientar e até mesmo substituir experimentos e, também, para orientar procedimentos médicos. No entanto, um código preciso requer a implementação de inúmeros fenômenos físicos complexos. Um desses fenômenos é o espalhamento da radiação, que é abordado neste trabalho. Aproximações usuais consideram que meios com nanopartículas são homogêneos, ou seja, não há distinção entre as propriedades do tecido e das partículas. Nesse caso, assume-se para as nanopartículas a mesma função de fase do tecido. No presente trabalho, um novo algorítmo foi desenvolvido para permitir diferentes funções de fase para partículas e tecido. Além disso, diferentes funções de fase para o espalhamento foram implementadas: Isotrópica, Rayleigh e Mie, e analisadas para casos específicos de terapia fototérmica para o tratamento de câncer de pele. Foram consideradas partículas esféricas de ouro com dois tamanhos e nano-conchas de ouro com núcleo de sílica. Aproximações usuais para a função de fase do espalhamento, reduced scattering e HenyeyGreenstein, foram também analisadas. Os resultados mostraram que para os casos considerados os erros associados à utilização de métodos aproximados não foram grandes, indicando que as aproximações podem ser utilizadas.
Analysis of the multi‐spectral energy bundle method: fnding the number of sub‐bundles for the minimum computational time
(Springer, 2017-03-30) Maurente, André Jesus Soares; Negócio, Denis Alexandre de Rubim Costa
The multi-spectral energy bundle (MSB) is a method proposed to reduce the computational time of Monte Carlo simulations in media with spectrally dependent properties. In this method the typical energy bundles of the Monte Carlo are treated as multi-spectral by assuming that they are composed of a set of monochromatic subbundles. The number of sub-bundles in each bundle affects the computational time in such a way that there exists an optimum number of sub-bundles that leads to the minimum time for the computation. However, due to the stochastic nature of the Monte Carlo, the optimum number of sub-bundles is not easy to be exactly found. This paper proposes a methodology which allows to accurately determine the number of sub-bundles for the minimum computational time, and apply the proposed methodology to 25 cases consisting of a onedimensional slab of gas composed of H2 O and non-emitting/absorbing species, where the FSK was used to consider spectral dependence of properties. The results showed that for the majority of the considered cases, 3 sub-bundles lead to either the minimum or a computational time quite close to the minimum, and always provides reduction of computational time. Thus, 3 sub-bundles is indicated for the analyzed class of problems
Application of approximations for joint cumulative k-distributions for mixtures to FSK radiation heat transfer in multi-component high temperature non-LTE plasmas
(Elsevier, 2012-08) Maurente, André Jesus Soares; Franca, Francis Henrique Ramos; Miki, Kenji; Howell, John Reid
Approximations for joint cumulative k-distribution for mixtures are efficient for full spectrum k-distribution (FSK) computations. These approximations provide reduction of the database that is necessary to perform FSK computation when compared to the direct approach, which uses cumulative k-distributions computed from the spectrum of the mixture, and also less computational expensive when compared to techniques in which RTE’s are required to be solved for each component of the mixture. The aim of the present paper is to extend the approximations for joint cumulative k-distributions for non-LTE media. For doing that, a FSK to non-LTE media formulation well-suited to be applied along with approximations for joint cumulative k-distributions is presented. The application of the proposed methodology is demonstrated by solving the radiation heat transfer in non-LTE high temperature plasmas composed of N, O, N2, NO, N2þ and mixtures of these species. The two more efficient approximations, that is, the superposition and multiplication are employed and analyzed
Application of Monte Carlo method in the solution of radiation heat transfer in participating media
(Revista da Engenharia Térmica, 2007-06-30) Maurente, André Jesus Soares; Bayer, P. O; França, Francis Henrique Ramos
The temperatures of the gases produced in combustion processes are very high so thermal radiation constitutes an important heat transfer mechanism in industrial furnaces. Most furnaces can be modeled as gray enclosures containing non-gray gases. The radiation heat transfer can be obtained with the aid of the weighted-sum-of-gray-gases model, determining the zonal exchange areas for each of the gray gases considered in the sum. For some enclosures with simple geometries, there are correlations to obtain the direct exchange-areas which can be used to determine the total exchange areas. However, for enclosures with complex geometries, determining the direct exchange areas can become a difficult task. In this case, the use of the Monte Carlo method is advantageous, for it allows one to approach geometric complexities without additional complications. Therefore, the method was applied to compute total exchange areas in enclosures containing participating media. Two cases were considered: cylindrical enclosures and enclosures that have generic geometries formed from cube combinations. The results presented a good agreement with solutions available in the literature
Aproximação para a seção transversal de absorção na transferência de calor por radiação em gases não-uniformes
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-02-23) Bernardino, Gabriel de Lima; Maurente, André Jesus Soares; ; ; http://lattes.cnpq.br/9436408339081303; Ziemniczak, Aline; ; Cavalcanti, Eduardo José Cidade;
O cálculo preciso da transferência de calor por radiação em gases participantes requer o conhecimento detalhado dos dados espectrais das propriedades radiativas. Isso pode ser alcançado por meio do cálculo linha-porlinha ou utilizando um modelo espectral. Em ambos os casos, a seção transversal de absorção é obtida de bancos de dados de alta resolução espectral, que possuem parâmetros de milhões de linhas espectrais. A seção transversal de absorção depende do estado termodinâmico do gás, sendo uma função da temperatura, pressão e concentração da espécie química, que variam com a localização em gases não-uniformes. Portanto, em simulações numéricas, a seção transversal de absorção deve ser calculada e armazenada para diversos estados do gás, requerendo consideráveis recursos computacionais. Além disso, a dependência da seção transversal de absorção com as propriedades locais do gás traz complexidade a problemas envolvendo gases participantes. Este trabalho propõe e avalia uma aproximação em que a seção transversal de absorção é obtida tomando uma ou mais propriedades termodinâmicas como constantes. Resultados da transferência radiativa com base nessa aproximação são obtidos e analisados. As propriedades locais utilizadas são temperatura, fração molar de cada espécie química e pressão. A aproximação reduz a complexidade dos problemas e o tamanho do banco de dados da seção transversal de absorção. Os casos testes foram aplicados para gases compostos por CO2 e ar, H2O e ar e mistura de CO2, H2O e ar. Meios uniformes e não-uniformes foram considerados na composição dos gases. Frações molares de CO2 e H2O entre 5 % e 100 % foram consideradas, enquanto que a temperatura variou de 500 K a 2500 K. A pressão nos casos teste foi igual a 1 atm, com exceção para aqueles relativos à aproximação em que a pressão foi dada por um perfil não-uniforme. Os resultados demonstraram que a aproximação com os métodos LBL, FSCK e MSFSCK pode ser vantajosa, principalmente, quando aplicado em meios não-uniformes compostos por dióxido de carbono em que há pouca variação de pressão e altas temperaturas.
Avaliação de modelos numéricos para cálculo da transferência de calor na terapia fototérmica
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-12-01) Lucena, Ícaro Kleisson Araújo; Maurente, André Jesus Soares; http://lattes.cnpq.br/8073368791527116; http://lattes.cnpq.br/0575478482366638; Marinho, George Santos; http://lattes.cnpq.br/0490476694313938; França, Francis Henrique Ramos
Ocâncer é alvo de intensa pesquisa para aprimorar procedimentos terapêuticos. Figuram nesse cenário terapias de hipertermia, como a Terapia a Laser Intersticial (ILT) e a Terapia Fototérmica Plasmônica (PPTT). Modelos são empregados na simulação computacional de tratamentos hipertérmicos, sendo crucial validá-los para assegurar confiabilidade. Neste estudo validam-se modelos de hipertermia ao comparar distribuições de temperatura de simulações às obtidas em umprotocolo real de ILT para câncer de mama. A irradiação por um laser é administrada através de uma fibra óptica no centro de um tumor aproximadamente esférico. O protocolo inclui dispositivos para o controle da energia entregue ao tecido, como uma bomba de fluido, evitando danos à ponta da fibra óptica, e sondas com termopares para medir temperaturas. A simulação abrange a resolução numérica da Equação do Biocalor (PBHTM) e da Equação de Transferência Radiativa (RTE), sendo o divergente do fluxo de calor, obtido pela RTE, o termo fonte na PBHTM. A solução numérica fornece distribuições de temperatura na região irradiada, abrangendo o tumor e os tecidos circundantes. Propriedades termofísicas e ópticas dos tecidos foram obtidas na literatura, enquanto as do laser foram obtidas de um manual técnico de operação do laser DIOMED DELTA15. As propriedades do meio foram assumidas como as de um tecido mamário saudável, em um domínio de cálculo cilíndrico de 4 cm de comprimento e 2 cm de raio. A ponta da fibra óptica foi localizada no centro do domínio. Baseando-se no protocolo, o tempo total de irradiação foi de 2100 s, considerando um laser semicondutor de diodo com comprimento de onda de 805 nm, operando a 5 W e diâmetro de feixe de luz de 600 µm. Resultados foram obtidos para averiguar a sensibilidade do campo de temperaturas em relação à parâmetros associados a incertezas, incluindo regime de operação do laser (pulsado ou contínuo), posicionamento dos termopares e abrangência da região de arrefecimento na ponta da fibra ótica. Os resultados obtidos através das simulações apresentaram excelente concordância com os experimentais provenientes do protocolo, conferindo confiabilidade à modelagem, hipóteses adotadas e códigos utilizados.
Uma breve revisão das correlações para tensão de cisalhamento na parede para escoamentos hipersônicos
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-02-11) Araújo, Pedro Paulo Batista de; Souza, Thiago Cardoso de; http://lattes.cnpq.br/2874612687747843; 0000-0001-7850-4872; http://lattes.cnpq.br/8995418183590174; Maurente, André Jesus Soares; http://lattes.cnpq.br/8073368791527116; Meier, Rafael Becker; http://lattes.cnpq.br/2236293148490315
This paper addresses the problem of finding the appropriate correlation model for the estimation of drag force in aerospace vehicles that operate at hypersonic conditions. Here the analysis of the spatial variation of the local wall shear stress along a 6.28° ramp wall in a hypersonic flow is considered. Three cases corresponding to flows with Mach numbers corresponding to 3, 7, and 10 were analyzed. A number of correlations for the friction coefficient as proposed by Sommer and Short, Spalding and Chi, van Driest, White and Christoph, Eckert, and Meador and Smart, were applied to evaluate the wall shear using an analytical approach. The thermodynamic properties of the flow downstream of the shock wave, established at the leading edge of the ramp, were estimated using the oblique shock theory. The analytical results were compared to a reference wall shear data numerically obtained using a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) steady-state simulation performed for the same geometry. The working fluid is air, modeled in this paper as a calorically perfect gas. For the closure of the turbulent Reynolds stresses, the k-kl-ω transition model was used. The results established a quantitative comparison between the wall shear stress curves obtained for each method, numerical and analytical. The results points out that most correlations models have low accuracy for the hypersonic flow, which is reasonable since these models were developed from experimental data extracted from supersonic flows. Despite this limitation, the analytical models which satisfactorily predicted the drag coefficient, under the conditions investigated, were the models proposed by Eckert, the model proposed by Sommer and Short for supersonic flows and the Meador and Smart model for hypersonic flow.
Comparison of the standard weighted-sum-of-gray-gases with the absorption-line blackbody distribution function for the computation of radiative heat transfer in H2O/CO2 mixtures
(Elsevier, 2008-07) Maurente, André Jesus Soares; Vielmo, Horácio Antonio; França, Francis Henrique Ramos
This paper presents the computation of radiation heat transfer in a cylindrical enclosure in which the dimensions, the chemical species concentrations and the temperature fields make a realistic representation of an actual combustion chamber. Two gas models are applied and compared: the absorption-line blackbody distribution function (ALBDF), and the standard weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) based on coefficients and correlations that are widely used in engineering. While the standard WSGG is restricted to the assumption of homogeneous gas mixture, the ALBDF can be applied to both homogeneous and non-homogeneous media. For the two gas models, the radiative exchanges are computed with the aid of the Monte Carlo method. The results show considerable discrepancies between the WSGG and the ALBDF models for the homogeneous medium. In addition, the importance of considering the non-homogeneity of the medium for an accurate computation of the radiative heat transfer is shown. r 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved
Estudo numérico de um aerogerador projetado com a metodologia BEM e da utilização de um intensificador de potência
(2017-08-28) Barros, Aideé Amélia Torres Sampaio; Maurente, André Jesus Soares; Souza, Sandi Itamar Schafer de; ; ; ; Cavalcanti, Eduardo José Cidade; ; Ferro, Luís Morão Cabral;
A preocupação com o efeito estufa e com a degradação que o meio ambiente vem sofrendo, devido a utilização de fontes de energia não renováveis, como os combustíveis fósseis, tem despertado um interesse especial na utilização de fontes renováveis de energia. Diante disso, a energia eólica vem se destacando no cenário energético atual do Brasil. Os aerogeradores, responsáveis pela conversão da energia eólica em energia elétrica, são intensamente estudados, visto que se busca formas de aumentar a eficiência dos mesmos. Uma possível solução para o aumento da potência de saída fornecida pelo aerogerador é a utilização de difusores flangeados. A ideia é gerar um gradiente de pressão, que causaria a passagem de uma maior de massa de ar a uma maior velocidade, através do rotor. Como a potência de saída de um aerogerador é diretamente proporcional ao cubo da velocidade, a mesma aumentaria. Com isso o presente trabalho teve como objetivo principal investigar a utilização de um difusor flangeado, acoplado a um aerogerador de baixa potência, visando aumento de potência convertida. Para isso foi desenvolvido o projeto e a modelagem 3D do rotor de um aerogerador com capacidade de conversão de 300 W utilizando o Blade Element Momentum (BEM). Foram realizadas simulações numéricas transientes do escoamento turbulento que age sobre os domínios estudados, empregando um software CFD. Dois modelos diferentes foram consideradas, o primeiro foi a turbina eólica envolta sem o elemento intensificador e o segundo com o elemento intensificador, possibilitando então uma comparação entre as duas configurações. Como objetivo secundário efetuou-se comparações dos resultados numéricos com os resultados analíticos da metodologia de projeto adotada (BEM), visando identificar se os dados obtidos através do projeto (coeficiente de indução axial, ângulos, triangulo de velocidade) estão próximos da solução numérica. Ao final da análise dos resultados, foi possível verificar que o difusor aumenta a velocidade do ar que passa pelo rotor eólico em aproximadamente 50%, causando um aumento de cerca 330% da potência de saída. Diferenças máximas na ordem de 10% foram encontradas entre a solução analítica (obtidas com o BEM) e a solução numérica. Além disso, pôde-se observar que com o aumento da velocidade da massa de ar, e sem o aumento da velocidade de rotação, o triângulo de velocidades acaba sendo modificado o que gera o fenômeno do stall. Por fim foi feita uma nova análise, com a velocidade de rotação corrigida, onde pôde-se observar que o triângulo de velocidade volta a se estabilizar.
O método k-médio em conjunto com o método de distribuição-k para simulações da transferência de calor por radiação em meios participantes não-uniformes
(2017-08-07) Bruno, Alexandre Barbosa; Maurente, André Jesus Soares; http://lattes.cnpq.br/6489565805251316; http://lattes.cnpq.br/6489565805251316; Cavalcanti, Eduardo José Cidade; http://lattes.cnpq.br/3935651748470976; França, Francis Henrique Ramos; http://lattes.cnpq.br/0130170792157449
A radiação térmica é um mecanismo de transferência de calor muito importante em processos que envolvem gases participantes, como CO2 e H2O, em temperaturas elevadas. Contudo, a solução exata linha-por-linha da transferência de calor por radiação em gases participantes é computacionalmente dispendiosa. Uma das formas de abordagem para esse tipo de problema consiste na utilização dos métodos de distribuição-k, como o FSK e SLW, os quais são exatos quando aplicados a meios uniformes, mas possuem limitações no tratamento de meios não-uniformes. A aplicação do método FSK a meios não-uniformes requer a adoção da hipótese de k-correlacionado (resultando no método FSCK, Full spectrum correlated-k). Isso resulta em um erro devido ao fato dos coeficientes de absorção de meios reais não serem verdadeiramente correlacionados. Diante disto, este trabalho propõe e investiga uma nova abordagem para considerar meios não-uniformes utilizando o método FSK e que não requer a hipótese de k-correlacionado. O método FSK aplicado em conjunto com a abordagem proposta foi denominado FSAK, (Full spectrum averagedk). Com o objetivo de demonstrar a aplicação do novo método e analisa-lo, o mesmo foi utilizado na solução de uma série de casos teste envolvendo gases compostos por CO2 e espécies não participantes. Os resultados obtidos com o método FSAK foram mais precisos na presença de gradientes de temperatura e concentração das espécies químicas mais elevados, condições em que o FSCK torna-se menos preciso. Também verificou-se que o uso de diferentes procedimentos para o cálculo do coeficiente de absorção do método FSAK resultam em significativas diferenças entre os resultados, demonstrando que diferentes procedimentos para o cálculo desses coeficientes podem levar a diferentes níveis de precisão, indicando que procedimentos para o cálculo da média que tornem o método mais preciso poderão ser encontrados em futuros trabalhos de pesquisa.
Modelagem do desempenho de um sistema de refrigeração por absorção misto
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2020-11-27) Vasconcelos, Nathan Palhares; Cavalcanti, Eduardo José Cidade; Maurente, André Jesus Soares; Souza, Thiago Cardoso de
O presente trabalho tem como objetivo a análise de um sistema misto de refrigeração por absorção que utilizou o par de fluidos de trabalho Brometo de Lítio (LiBr) - Água (H2O). Balanços de massa, concentração da solução e energia foram realizados nos equipamentos. A modelagem termodinâmica foi desenvolvida no software Engineering Equation Solver (EES). O sistema tem como fonte de calor gases de exaustão e água quente vindas de um motor de combustão interna e, para o resfriamento, é utilizado água de refrigeração. A análise tem como principal indicador o Coeficiente de Performance (COP) do sistema de refrigeração, tendo sido encontrado o valor 0,9884 para condições normais. Alterando o taxa de massa da água quente e do gás de exaustão, uma métrica chamada de razão de calores foi desenvolvida para análise, alterando essa razão observa-se uma alteração do COP. Variando a razão 0,16:1 até 1:0,2 foi encontrado os valores de COP entre 2,34 e 0,45. Foi visto que o COP é inversamente proporcional a um indicador chamado de razão de calores, que foi desenvolvido a partir da entrada de calor nos geradores. O cop tendeu a ser maior quando essa razão diminui. O trabalho foi comparado com o artigo de Wang e Wu (2015).
A Monte Carlo implementation to solve radiation heat transfer in non-uniform media with spectrally dependent properties
(Elsevier, 2007-11) Maurente, André Jesus Soares; Vielmo, Horácio Antonio; França, Francis Henrique Ramos
This paper presents the application of the Monte Carlo method to solve the radiative heat exchange in non- homogeneous, non-isothermal gases with spectrally dependent properties. Among others models, the absorption-line blackbody (ALB) distribution function, originally defined and derived for the spectral line-based weighted-sum-of-gray-gases (SLW) model, allows an immediate, simple implementation of the Monte Carlo method to account the spectral dependence of the radiative properties. This work shows how the Monte Carlo method can be combined to the ALB distribution function, and provides results for heat transfer in a mixture of water vapor, carbon dioxide and nitrogen that have satisfactory agreement with the SLW method and with line-by-line integration. Finally, the solution technique is employed to solve two examples aiming at demonstrating the effect of the absorbing species concentration on the thermal radiative exchanges. The method is of great interest for the computation of radiative transfer in combustion systems where the chemical species concentration and the temperature are not uniform
Non-dimensional wavenumber in full-spectrum k-distribution computations with or without a reference state
(Elsevier, 2017-07) Maurente, André Jesus Soares; Bruno, Alexandre Barbosa; França, Francis Henrique Ramos; Howell, John Reid
In the full spectrum k-distribution method, the k-distributions are Planck function weighted. These k-distributions depend on temperature, which varies with location in nonisothermal media. Consequently, in order to apply the method to nonuniform media, k-distributions evaluated at different local temperatures are correlated by a k-distribution evaluated at an arbitrarily chosen reference blackbody temperature. On the other hand, in the original band method, the k-distributions are directly related to spectral locations. Such k-distributions can replace Planck function weighted k-distributions computed at a reference temperature. This approach was employed by Maurente et al. [1] in order to deal with gas mixtures in non-equilibrium media. In this paper the formulation is presented for the equilibrium case. The proposed formulation simplifies the application of the FSK method to nonuniform media, and brings new directions to k-distribution issues. It can be employed with a reference state, but not a reference temperature, with reference state and temperature, as in the traditional FSK, and without any reference state, being in this case the continuous limit of the recently developed Rank Correlated SLW [2]. Results were obtained for test cases considering one-dimensional, nonuniform media, constituted by CO2 and inert gases, and compared to line-by-line solutions
Numerical investigation of convection in tubes with aluminium and carbon steel fns: evaluating the assumption of convective heat transfer coefcient as that for the tube without fns and relating physical processes with the optimum spacing between fns
(Springer, 2019-02-05) Maurente, André Jesus Soares; Souza, Sandi Itamar Schafer de; Bessa, Kleiber Lima de
Finned tubes exist in diverse geometric confgurations, usually the convective heat transfer coefcient is unknown and approximated as that for a geometry similar to the actual one. This paper presents a numerical investigation about the convective heat transfer in a horizontal fnned tube. Ten geometric confgurations were considered, which difered on the distance between fns, and two materials were analysed for the fns: luminium and carbon steel. Eleven diferent values were considered for the temperature diference between the base of the tube and air. Therefore, a total of one hundred and ten diferent conditions were studied, for each material. The fow regime was laminar. The analysis showed that approximating the convective heat transfer of the fnned tube as that for a tube without fns, for which correlations are available in the literature, can lead to signifcant errors. The maximum diference verifed was for the spacing between fns equal to 2 mm, for which the convective heat transfer coefcient was about seven times lower than that for the tube without fns. For spacings equal to 6 mm and 8 mm, associated to the maximum heat transfer rate, the convective heat transfer coefcient for the tube without fns was about 30% to 50% higher than that for the fnned tube. The common assumption of uniform fns surface temperature was also evaluated for the two considered materials the fns were made of. The results showed that for the steel fns the approximation leads to an error of about 10%, while for aluminium it is only about 3%. Results that allow a better understanding of the physical phenomena related to the occurrence of the optimum spacing between fns, which maximize the heat transfer, are also presented and analysed
Numerical simulation of nanoparticles assisted laser photothermal therapy: a comparison of the P1‐approximation and discrete ordinate methods
(Springer, 2016-05-05) Maurente, André Jesus Soares; Bruno, Alexandre Barbosa; Lamien, Bernard; Orlande, Helcio R. B.
Photothermal therapy (PTT) with combined use of laser radiation and photon absorber nanoparticles is a promising technique to treat cancer. Treatment planning and devising appropriate protocols for cancer photo thermal therapy require the computational simulation of coupled physical phenomena, such as radiation, conduction, and blood perfusion. The P1-approximation is a numerical method to solve radiation heat transfer which features the advantage of being computationally fast and, therefore, desirable for PTT simulations. However, the method is known to become inaccurate under certain conditions. In this study, the P1-approximation and the accurate discrete ordinate method were applied to solve a set of test problems idealized to portray conditions encountered in PTT. The test problems were one-dimensional, and the radiation scattering was assumed as isotropic. Tissues composed by layers with different properties were considered, including cases in which gold nanoparticles were embedded in the tissue to increase photon absorption. For the problems considered here, the P1-approximation and discrete ordinate method results presented quite good agreement for the time-dependent temperature distribution, which is the quantity of interest in PTT

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