O setor aeronáutico precisa mitigar as emissões de carbono, e o uso de Combustíveis Sustentáveis de Aviação (SAF) surge como uma solução promissora. Dada a crescente pressão sobre a indústria da aviação para se adaptar e inovar, o foco deste estudo será avaliar as características técnicas e ambientais de amostras de SAF's e suas misturas com querosene de aviação (QAV), buscando identificar potenciais benefícios, bem como os desafios associados à sua produção e implementação. Lacunas significativas ainda existem no conhecimento experimental sobre combustão e emissões de SAF e suas misturas. Usando uma abordagem metodológica robusta, esta pesquisa abordará essas lacunas, oferecendo insights cruciais para a indústria da aviação. Serão aplicadas técnicas avançadas de caracterização, incluindo qualidade de jatos de spray dos combustíveis, smoke point e métodos específicos para avaliar características de combustão e padrões de emissão. Além disso, alinhado ao contexto do projeto de lei "Combustível do Futuro" do governo brasileiro, os resultados derivados deste trabalho terão potencial para guiar tomadores de decisão no setor aeronáutico. Dada a abordagem técnica rigorosa e a relevância do tema, pretende-se com este projeto oferecer contribuições significativas para guiar a seleção de novos candidatos a SAF para testes em turbinas aeronáuticas. (AU)

Estimar, com exatidão, os fenômenos radiativos em escoamentos de entrada/reentrada é de interesse da indústria espacial, principalmente para o projeto de veículos de acesso ao espaço. Estudos presentes na literatura indicam que a radiação pode impactar, de forma significativa, o fluxo de calor sobre a parede do veículo. A magnitude do impacto da radiação depende das condições do escoamento, como densidade, temperatura e composição química. A literatura também apresenta que acoplamento de fenômenos radiativos às formulações de mecânica dos fluidos, para simular escoamentos hipersônicos reativos de entrada/reentrada atmosférica, não é uma tarefa trivial. O método Photon Monte Carlo (PMC) e o método da placa tangente (tangent slab - TS) são exemplos de formulações para simular fenômenos radiativos em escoamentos diversos. O primeiro método vem ganhando espaço na literatura para o estudo da radiação em escoamentos hipersônicos. O presente projeto de pesquisa tem por objetivo estudar o impacto de fenômenos radiativos em escoamentos hipersônicos reativos de entrada/ reentrada atmosférica em condições de não-equilíbrio termodinâmico e químico. Neste contexto, parte do esforço deste trabalho será destinado ao desenvolvimento de metodologias e ferramentas numéricas para simular fenômenos radiativos nos escoamentos de interesse. Estas ferramentas desenvolvidas serão validadas com resultados numéricos e experimentais presentes na literatura. Outra parte do esforço deste trabalho de pesquisa será destinado a identificar grandes desafios da área e abordá-los com a metodologia desenvolvida neste trabalho. Acredita-se que este projeto de pesquisa contribua para ampliar o entendimento sobre o impacto da radiação em escoamentos de entrada/reentrada. A temática deste trabalho está diretamente relacionada com interesses do programa espacial brasileiro. As contribuições deste projeto de pesquisa serão documentadas e publicadas em periódicos e eventos internacionais e nacionais relevantes na área. (AU)

Este projeto está versado na investigação da turbulência de escoamento livre (FST) e dos mecanismos de instabilidade hidrodinâmica, e visa compreender a transição para turbulência em bolhas de separação laminar. A física de escoamentos separados é complexa, porquanto a separação e a transição estão intimamente interligadas, e a presença de perturbações externas ou forçantes culmina em dificuldades extras, visto que diferentes mecanismos de instabilidade podem competir. Para abordar esse desafio, o projeto propõe introduzir perturbações isotrópicas de FST com variadas intensidades. Através de simulações numéricas diretas (DNS), serão investigados os mecanismos físicos que influenciam a interação entre a separação e a transição de bolhas de separação. O estudo aprofundado dessas interações pode oferecer insights significativos sobre a dinâmica de bolhas de separação sob condições de FST, como as encontradas em voo livre. Este entendimento aprimorado tem o potencial de impactar diretamente o design e a otimização de veículos aeroespaciais, bem como outras aplicações nas quais o controle de escoamentos é crucial. O projeto também pretende contribuir para a literatura científica, fornecendo uma compreensão mais profunda dos mecanismos de instabilidade e transição em escoamentos separados. Espera-se que os resultados possam ser aplicados para melhorar a eficiência e desempenho em uma variedade de contextos de engenharia, abrindo caminho para inovações em concepcões e tecnologias de escoamentos. (AU)

A principal contribuição do projeto de pesquisa aqui proposto é o desenvolvimento de modelos aerodinâmicos de ordem reduzida que possibilitem a realização de análises aeroelásticas não lineares de rotina na indústria. Há interesse em usar técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD, do inglês Computational Fluid Dynamics) no desenvolvimento do operador aerodinâmico para análises aeroelásticas, pois essa abordagem proporcionaria a inclusão das não linearidades aerodinâmicas no estudo aeroelástico. Entretanto, dado o poder computacional atualmente disponível, o uso direto de simulações de CFD para a análise aeroelástica em cada ponto do envelope de voo pode se tornar proibitivo para aplicações rotineiras de engenharia. Uma estratégia possível para enfrentar esse desafio é o uso de formulações de modelos de ordem reduzida (ROM, do inglês Reduced-Order Model). Especialmente em escoamentos transônicos, as não linearidades aerodinâmicas são essenciais para a previsão correta das cargas aerodinâmicas não estacionárias, as quais, por sua vez, são necessárias para descrever adequadamente a interação fluido-estrutura. Este projeto de pesquisa, portanto, consistirá em realizar um estudo detalhado das abordagens disponíveis para o desenvolvimento de modelos de ordem reduzida baseados em resultados de CFD, a fim de viabilizar análises aeroelásticas completamente não lineares. Técnicas de identificação de sistemas por meio de funções de transferência aerodinâmicas, teoria de Koopman, decomposição ortogonal apropriada (POD, do inglês Proper Orthogonal Decomposition), decomposição em modos dinâmicos (DMD, do inglês Dynamic Mode Decomposition) e redes neurais serão exploradas neste estudo. Os resultados obtidos no presente projeto fornecerão informações relevantes para o desenvolvimento e a aplicação de técnicas de CFD para estudos aeroelásticos detalhados de configurações aeronáuticas.

Esta proposta de pesquisa de Iniciação Científica se insere no contexto de um projeto amplo, atualmente em execução no Grupo de Transferência de Calor da Escola de Engenharia de São Carlos, USP, que trata da investigação do escoamento bifásico e da ebulição convectiva em condições de temperaturas próximas ao ponto crítico termodinâmico. Investigações relacionadas à caracterização de escoamentos bifásicos em condições de macro e microescala foram extensivamente realizadas ao longo das últimas décadas, com o objetivo de compreender os mecanismos físicos de transferência de calor e perda de pressão. A maior parcela destes estudos envolvendo refrigerantes orgânicos restringe-se à reduzidas temperaturas de saturação, típicas de aplicações de refrigeração e ar-condicionado. No entanto, é crescente o interesse em sistemas que operem com elevadas temperaturas de evaporação, tais como os Ciclos Rankine Orgânicos e bombas de calor de elevada temperatura. Isto traz a necessidade do desenvolvimento de novos métodos de previsão que possam ser empregados no projeto de trocadores de calor operando em tais condições, já que os métodos existentes para previsão do coeficiente de transferência de calor (CTC) e da perda de pressão (Dp) não incorporam em suas concepções resultados para temperaturas de saturação elevadas. Dada a reconhecida relação entre a topologia do escoamento e a transferência de calor e a perda de pressão, é fundamental investigar as características do escoamento em elevadas temperaturas de saturação para o desenvolvimento de métodos de previsão mecanicistas para o CTC e Dp. Neste contexto, a presente proposta trata da avaliação das características do escoamento bifásico durante a ebulição convectiva do refrigerante R245fa para T_sat=60-150°C, correspondendo a temperaturas reduzidas de 0,78 a 0,99 no interior de um canal de 1,2 mm de diâmetro. Um programa desenvolvido em Matlab®, baseado na avaliação da intensidade luminosa dos pixels, será utilizado no tratamento das imagens do escoamento obtidas por meio de uma câmera de alta velocidade. Além disso, sinais obtidos por meio de pares diodo/sensor-laser atenuados por meio da topologia do escoamento também serão utilizados na caracterização do escoamento. Com base nesses dados, serão levantados resultados para velocidade, dimensão e frequência das bolhas de vapor, excentricidade do núcleo de vapor e será desenvolvido um método objetivo para caracterização dos padrões de escoamento.

A ebulição e os mecanismos de transferência de calor envolvidos no processo tem recebido grande atenção desde o século passado. Isto se deve a elevada capacidade de transferência de calor relacionado à mudança de fase térmica líquido-gás, tornando este processo extremamente útil para o desenvolvimento de sistemas de refrigeração e de geração de potência. Entretanto, devido a sua complexidade o fenômeno ainda não é completamente compreendido. Consequentemente, diversos estudos tem sido realizados na tentativa de entender os mecanismos físicos envolvidos e a influência de alguns parâmetros tais como características de superfícies ou propriedades dos fluidos. Assim, o presente projeto propõe o desenvolvimento de uma ferramenta de simulação baseada no método de lattice Boltzmann (MLB) capaz de simular o processo de ebulição, focando na simulação da nucleação de bolhas isoladas e da ebulição em piscina em superfícies aquecidas, considerando fluidos orgânicos ou outros disponíveis na literatura. O MLB é um método mesoescala, que possui certas facilidades em relação ao métodos tradicionais para incorporar os fenômenos físicos que ocorrem em sistemas multifásicos. Isto inclui a dinâmica de movimento das interfaces, o colapso e separação de bolhas, as interações entre o fluido e a superfície sólida e a incorporação de forças atuantes no sistema. Primeiramente, será realizado um estudo crítico dos diversos modelos do MLB para sistemas bifásicos líquido-gás, focando nos modelos do campo de fases. Estes modelos tem apresentado bom desempenho na simulação de sistemas com elevadas razões de densidade e viscosidade, frequentemente encontrado em aplicações reais. Na sequência, será desenvolvido um novo modelo do MLB para simulação de fenômenos de mudança de fase líquido-gás térmicos. O modelo será testado inicialmente com a solução de problemas tradicionais, sendo posteriormente empregado na simulação dos problemas reais desejados, que envolvem a nucleação de bolhas isoladas e a ebulição em piscina numa superfície aquecida. Um estudo experimental também será realizado durante um estágio de pesquisa (BEPE) na Universidade da Coruña, visando a obtenção de dados experimentais para a comparação e validação das soluções numéricas propiciadas pelo novo modelo desenvolvido. Dados experimentais da literatura aberta também serão empregados para a mesma finalidade. A realização do projeto proposto permitirá a obtenção de uma ferramental de simulação de grande utilidade para as pesquisas científicas na área pretendida, assim como a consolidação do grupo de pesquisa. (AU)

Os complexos requisitos atuais de fornecimento de energia suscitam vários desafios significativos para a sociedade. Por um lado, há a necessidade contínua de extrair petróleo e gás de forma eficiente e responsável, enquanto, por outro lado, existem novas exigências relacionadas à busca do "Net Zero", incluindo a Captura e o Armazenamento de Carbono (CCS, na sigla em inglês). No cenário de produção offshore brasileiro do pré-sal, há complexidades únicas, como pressões extremamente altas e alta fração volumétrica de dióxido de carbono (CO2). Atualmente, o CO2 é reinjetado não apenas para manter a pressão do reservatório, mas também para CCS. Cada vez mais, diagnósticos sofisticados são necessários para monitorar e controlar a operação e diminuir a incerteza metrológica da medição in-situ. Esses diagnósticos dependem, entre outras coisas, da previsão dos padrões de escoamento bifásico. Entretanto, os modelos matemáticos de escoamento bifásico são ajustados ou calibrados com bancos de dados incompatíveis com a condição de produção do pré-sal. Propõe-se um levantamento de dados experimentais que permitam identificar padrões de escoamento de misturas de óleo e gás em uma linha vertical de 2 polegadas, com foco na avaliação do efeito da densidade do gás nos padrões de escoamento. A utilização de gás denso, hexafluoreto de enxofre (SF6), permite simular condições hidrodinâmicas do pré-sal, semelhantes ao escoamento de óleo e CO2 no estado termodinâmico supercrítico. Em especial, a estabilidade hidrodinâmica do padrão de escoamento bifásico anular será estudada e as semelhanças do escoamento gás-denso/líquido com escoamento líquido-líquido serão estudadas. Mais especificamente, será explorada uma região do mapa de fluxo, onde, de acordo com análises teóricas, pode ocorrer o padrão de escoamento anular invertido. O trabalho experimental será realizado no recém inaugurado circuito inclinável de escoamento multifásico do LEMI, que foi projetado para estudar o escoamento gás-denso/líquido e se encontra em estado operacional.

A ocorrência de micropoluentes em matrizes aquosas vem se tornando uma preocupação no mundo todo e um desafio para as estações de tratamento de águas residuais. Sua diversidade, difícil detecção e recalcitrância são algumas das características que os classificam como poluentes emergentes, os quais podem oferecer riscos para a saúde humana e ambiental. Tecnologias convencionais em geral não são capazes de remediar esses compostos, dentre eles as drogas antiepiléticas. Nesse sentido, Processos Oxidativos Avançados (POA) e biocatálise enzimática são possíveis sistemas alternativos de tratamento, podendo os mesmos ser combinados em reatores e agir de forma conjunta na geração de radicais hidroxila. Esses radicais podem atuar na degradação de uma ampla variedade de contaminantes que são diária e continuamente inseridos no meio ambiente. Diante disso, o objetivo deste projeto de doutorado direto consiste em estudar estratégias para degradar compostos antiepiléticos em processo contínuo, em que as tecnologias UVC/H2O2 e biocatálise enzimática ocorram de forma integrada. Para tanto, será utilizada a peroxidase do fungo Trichoderma, obtida por fermentação submersa em substrato alternativo, uma fonte enzimática nova e com características oxirredutoras interessantes. A enzima será empregada em suas formas livre e imobilizada, e o processo de tratamento será estudado em reator de placas planas de escoamento contínuo. Serão explorados diferentes arranjos de processo, em que POA e biocatálise enzimática possam ocorrer concomitantemente ou em série para degradação de drogas antiepiléticas. A viabilidade do tratamento será analisada em relação à concentração de entrada e de saída do poluente-alvo, e também por meio de análises de citotoxicidade e genotoxicidade. (AU)

O estudo de escoamentos compressíveis sobre aerofólios é relevante para diversas aplicações, incluindo asas de aeronaves, pás de turbinas a gás e eólicas, aeronaves de asas rotativas e sistemas de ventilação industrial. Este trabalho combinará simulações de grandes escalas (LES) e técnicas de análise baseadas em dados para investigar os efeitos de compressibilidade e gradiente de pressão em camadas limite que se desenvolvem sobre perfis de aerofólios. As simulações de alta fidelidade serão realizadas usando uma formulação de diferenças finitas compactas de alta ordem, incluindo um esquema de captura de choque juntamente com uma técnica de malhas sobrepostas. Técnicas numéricas orientadas por dados, capazes de fornecer decomposições modais de escoamentos, como análise de componentes principais (POD), Decomposição em Modos Dinâmicos (DMD) e técnicas Lagrangianas, serão aplicadas para se analisar a física dos escoamentos, incluindo a análise de estruturas organizadas e suas interações com outros mecanismos, como ondas de choque e acústicas. Análises de estabilidade também serão conduzidas usando aproximações de diferenças finitas da versão linearizada das equações compressíveis de Navier-Stokes. Inicialmente, será utilizada uma abordagem modal para entender as propriedades de estabilidade do escoamento em um horizonte de tempo infinito, ou seja, seguindo a definição de Lyapunov através da análise do espectro de autovalores, gráficos de autofunções e curvas neutras. Como a análise modal é incapaz de capturar propriedades não normais do escoamento, uma análise não modal também será realizada. Para empregar esta análise, primeiro será necessário estabelecer uma norma de energia do operador linear e depois reescrevê-la em uma forma exponencial de matriz, que será resolvida por uma decomposição de Valores Singulares (SVD). Crescimento transiente, pseudoespectro e análise resolvente serão empregados para entender o comportamento do escoamento e os resultados serão comparados com aqueles obtidos por LES. (AU)

As pesquisas por fontes de energia renováveis estão cada vez mais crescentes atualmente, devido a uma possível escassez de combustíveis fósseis no futuro. Neste sentido, uma alternativa promissora de energia limpa é o tratamento de efluentes domésticos ou industriais usando o processo de digestão anaeróbia em biorreatores, em que microrganismos degradam a matéria orgânica complexa e a converte em biogás, hidrogênio ou metano. O hidrogênio, comparado ao metano, tem seu interesse ainda mais acentuado, pois durante seu processo de combustão produz apenas água. Nestes biorreatores acidogênicos, microrganismos degradam diferentes tipos de substrato e produzem hidrogênio e ácidos orgânicos. Contudo, tão importante quanto conhecer o processo de produção deste biogás, é importante também realizar a modelagem matemática do processo para simulação em outros cenários e aumento de escala. O modelo mais amplamente usado para modelagem de processos anaeróbios é o Anaerobic Digestion Model Number 1 (ADM1), proposto em 2002 pelo Task Group da International Water Association. Este modelo foi formulado para uma digestão anaeróbia completa, em que o produto final é o metano. Porém, foram realizadas modificações em sua estrutura para que este modelo fosse capaz de simular o processamento em reatores acidogênicos em batelada. Sendo assim, novos estudos são requeridos para que este modelo possa também ser usado em simulações de biorreatores operados de forma contínua e com escoamento pistonado. Consequentemente, há muito a se avançar nesta área no mundo e, principalmente, no Brasil onde há apenas um grupo de pesquisa sendo nucleado na Universidade de São Paulo para pesquisas direcionadas a modelagem de processos anaeróbios. Portanto, o objetivo deste trabalho é discretizar o ADM1 e incorporar equações de transferência de massa gás-líquido para simulação dos reatores AnTR (Anaerobic Tubular Reactor), AnSTBR (Anaerobic Structured Bed Reactor) e AnPBR (Anaerobicpacked Bed Reactor). (AU)