Neste projeto de pesquisa é proposto estudo computacional de escoamento monofásico em dissipadores de calor compactos baseados em microcanais segmentados. Dissipadores de calor segmentados associados a fluidos refrigerantes de alto desempenho podem ser aplicados à aviônica de aeronaves militares e/ou comerciais, bem como na área aeroespacial, visto sua capacidade de dissipação de calor em volumes reduzidos, minimizando material utilizado em sua confecção e inventário de fluido refrigerante no sistema. Neste trabalho, será analisado o comportamento térmico e fluidodinâmico de dissipadores de calor de polidimetilsiloxano (PDMS) com incorporação de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal (h-BN) para melhorar as propriedades térmicas do compósito resultante. Para a presente análise será considerado água deionizada como fluido de trabalho. A análise numérica será realizada por meio de solvers de CFD disponíveis em softwares comerciais ou de código aberto, considerando como dados de entrada as mesmas condições utilizadas para os testes experimentais. Para garantir a confiabilidade dos resultados, será realizada uma comparação dos dados obtidos, numericamente, para queda de pressão e coeficiente de transferência de calor, com resultados experimentais. A contribuição deste trabalho consiste em obter resultados de interesse para a indústria de resfriamento de componentes eletrônicos e de equipamentos de controle térmico de máquinas em geral, bem como, aprofundar o conhecimento sobre o uso de nanocompósitos, com propriedades térmicas aumentadas, como material base para dissipadores de calor compactos. A escolha pelo Dr. Reinaldo R. de Souza, membro do IN+/IST, como supervisor do estágio no exterior se deve aos trabalhos na área de fenômenos de transporte em interfaces líquido-sólido, do macro a microescala, e no desenvolvimento de técnicas de diagnóstico para a caracterização destes fenômenos, para diferentes aplicações.

Camadas limite turbulentas ocorrem na maioria dos escoamentos industriais e na natureza, e muitas vezes se desenvolvem sob gradientes de pressão que afetam sua estabilidade e propriedades de turbulência. Por exemplo, as camadas limite que se desenvolvem em asas de aeronaves, rotores industriais e turbinas eólicas e a gás estão sujeitas a regiões de gradientes de pressão favoráveis e adversos, sendo estas últimas mais suscetíveis à separação. Neste projeto de pesquisa, analisaremos as estatísticas das camadas limite turbulentas obtidas a partir de simulações numéricas de alta fidelidade. Os efeitos de gradientes adversos de pressão serão investigados para diferentes configurações de escoamento com aplicações aeronáuticas. O papel do gradiente de pressão será avaliado em termos de balanços de energia cinética turbulenta e anisotropia. Técnicas de decomposição modal de escoamentos também serão empregadas para analisar como estruturas turbulentas coerentes são afetadas por gradientes de pressão que variam espacialmente. (AU)

Em muitas circunstâncias, os poços de petróleo não conseguem fornecer energia suficiente para produzir fluidos na superfície a vazões economicamente viáveis. Nesses casos, o equipamento de elevação artificial aumentam a vazão volumétrica injetando mais energia no sistema. A ESP (bomba centrífuga submersa) é a segunda tecnologia de elevação artificial mais amplamente empregada. Os fluidos bombeados geralmente contêm hidrocarbonetos nas fases líquida e gasosa, água e sedimentos. Os escoamentos bifásicos líquido-líquido devido à característica química podem formar dispersões coloidais como emulsões. Nesse sentido, a viscosidade efetiva da emulsão pode exceder consideravelmente as viscosidades de cada fase e ainda está sujeita à inversão de fases, que pode ocorrer dentro do ESP devido à taxa de cisalhamento e temperatura causando instabilidades, o que é indesejável. Nessas situações, são necessárias ações como mudar o ponto operacional ou utilizar técnicas de controle que visem "estabilizar" o sistema. Assim, prever o comportamento dinâmico do sistema pode subsidiar a decisão de alterar o ponto de operação. Assim, o principal interesse deste trabalho é modelar o comportamento dinâmico da ESP em condições de escoamento líquido-líquido, bem como o efeito da formação de emulsão. A modelagem pode ser obtida por modelos analíticos ou com base em dados experimentais, com técnicas de identificação de sistemas. No entanto, técnicas baseadas em dados experimentais podem ser limitadas ao sistema utilizado. Assim, nesses casos, as características adaptativas devem ser consideradas para aplicações mais próximas da realidade da exploração de petróleo. Algumas técnicas de modelagem e identificação de sistemas que podem ser utilizadas são mínimos quadrados, redes neurais, modelos autorregressivos, algoritmo ERA e bond graphs. Diferentemente das outras técnicas que utilizam dados experimentais, os bond graphs são um método que considera as leis da física e utiliza uma descrição gráfica do comportamento dinâmico dos sistemas independentemente do domínio físico. Portanto, domínios como elétrico, mecânico, hidráulico, acústico, termodinâmico e material são descritos da mesma forma. Por fim, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um simulador de ESP avaliando técnicas de identificação e modelagem de sistemas para prever o comportamento transitório e o desempenho do conjunto motor e bomba em escoamentos líquido-líquido. (AU)

Estratégias de controle capazes de manter o funcionamento eficiente das bombas submetidas a escoamentos líquido-líquido são necessários. Este projeto de pesquisa tem como objetivo propor e implementar abordagens de controle tolerantes a falhas em sistemas de Bombas Centrifugas Submersíveis submetidos a escoamentos líquido-líquido. Por tanto, são propostas técnicas de Controle Ativo Tolerante a Danos (CATD), capazes de tolerar instabilidades operacionais produzidas pela formação da emulsão. Uma metodologia baseada no desenvolvimento experimental é proposta simulando o funcionamento da bomba em diferentes condições de escoamento líquido-líquido bifásico, simulando situações onde a emulsão está presente, modelando o sistema e os distúrbios e, por fim, projetando e testando o controlador. Este projeto apresenta as atividades de estágio relacionadas ao tema controle de processos. (AU)

A presente proposta descreve o plano de pesquisa associado ao estágio no exterior (BEPE) do doutorando Tarcísio Costa Déda Oliveira. Tarcísio desenvolverá sua pesquisa no Departamento de Engenharia Mecânica, de Materiais e Aeroespacial do Illinois Institute of Technology, Chicago, Illinois, EUA. Durante este período, ele trabalhará sob a supervisão do Prof. Scott Dawson, que possui experiência nas áreas de mecânica dos fluidos, sistemas dinâmicos, teoria de controle e ciência de dados. Todos esses tópicos são diretamente relacionados à atual proposta de pesquisa. Nosso objetivo é aplicar técnicas de aprendizado profundo para modelar sistemas de escoamentos não-lineares complexos, bem como desenvolver estratégias de controle assistidas por modelos de redes neurais profundas. Modelos de ordem reduzida podem permitir o projeto de técnicas de controle que, por sua vez, podem ser testadas em ambientes numéricos de alta fidelidade para validação. As aplicações de controle de escoamento em malha fechada abrangem diferentes objetivos, como aumento de sustentação, redução de arrasto, redução de ruído acústico e atraso da transição para turbulência. Neste estudo, aplicaremos redes neurais para serem treinadas como modelos substitutos de sistemas dinâmicos de escoamentos com entradas de controle. Os dados de uma ferramenta de alta fidelidade serão obtidos para treinar os modelos de ordem reduzida que permitirão testes de controle rápidos além do projeto de controladores. Neste trabalho, o objetivo do controle consistirá na atenuação das características não-estacionárias dos escoamentos estudados seja pela estabilização de sistemas que apresentem comportamento oscilatório devido às não linearidades que levam a ciclos limites; ou neutralizando perturbações que crescem no campo de escoamento. (AU)

A espessura de filme líquido é um parâmetro primordial na caracterização de escoamentos anulares durante ebulição convectiva e condensação. Transferência de calor, perda de pressão e secagem de parede são altamente influenciadas pelas características do filme líquido; sendo assim, este parâmetro deve ser corretamente estimado para um projeto sólido e confiável de trocadores de calor, dissipadores de calor e dispositivos de gerenciamento térmico baseados em processos com mudança de fase. Desta forma, modelos fenomenológicos geralmente incluem estimativas da espessura de filme líquido para calcularem o coeficiente de transferência de calor (CTC), o fator de atrito interfacial (fi) e a espessura mínima do filme anteriormente à ocorrência secagem de parede. Em microcanais, dados confiáveis são raros devido a dificuldades intrínsecas relacionadas a medições em escalas reduzidas, em geral as correlações são baseadas em resultados obtidos sob condições adiabáticas para escoamentos ar-água e especulações sobre o comportamento do filme, prevendo somente seu valor médio. Consequentemente, estes modelos são seguramente aplicáveis às condições para as quais seus parâmetros foram ajustados. Neste contexto, um microssensor baseado na condutância elétrica está em desenvolvimento para ser utilizado em medições de espessura de filme em escoamentos anulares em microcanais sob condições diabáticas próximas da secagem de parede. Durante o estágio proposto no Micro Energy System Laboratory (MESL) na Universidade de Tóquio, o sensor será integrado a aquecedores e termopares na seção de testes e experimentos de ebulição convectiva serão realizados. O estudante será treinado para usar a instalação do laboratório e fabricar seus próprios dispositivos usando técnicas de microfabricação de MEMS, resultando em baixa inércia térmica para os termopares possibilitando resposta rápida nas medições de temperatura. A seção de testes será trazida para o Brasil para mais testes. Espera-se adquirir dados inéditos com este dispositivo, tanto para oscilações na espessura do filme líquido, quanto para oscilações na temperatura, que possam ser incorporados em modelos de transferência de calor melhorando a precisão de suas previsões. (AU)

Com base na crescente demanda alimentícia e energética e nas elevadas alterações ambientais decorrentes da conversão de ambientes naturais em áreas agricultáveis, são fundamentais as pesquisas que busquem a compreensão de como as mudanças antrópicas, por meio da mudança do uso e cobertura do solo, afetam os processos hidrológicos. A compreensão dos processos de infiltração e escoamento superficial é um passo importante para o desenvolvimento de estratégias de garantia da sustentabilidade dos ecossistemas, restauração e preservação da vegetação natural. Desta forma, este trabalho tem como objetivo principal o estudo preliminar acerca de como a ação antrópica, por meio dos cultivos agrícolas, interfere na infiltração e escoamento superficial. O presente estudo será desenvolvido em parcelas experimentais sob diferentes usos do solo encontrados na região Sudeste do Brasil: cana-de-açúcar, Cerrado stricto sensu, soja e solo exposto. Para isso, a área de estudo, já em funcionamento, será monitorada continuadamente ao longo de todo o ano de 2021 por meio de coleta de dados meteorológicos (precipitação, temperatura do ar, radiação solar, velocidade do vento e pressão atmosférica) e hidrológicos (escoamento superficial e umidade do solo). Nesse primeiro ano de pesquisa, a área de pesquisa foi ampliada após a identificação de que os eventos de precipitação ocorrentes nas parcelas experimentais em operação (10 anos) modificaram as condições superficiais do solo. Assim, foi construído uma nova triplicata de parcelas experimentais mantidos em solo exposto. Para o monitoramento do escoamento superficial nessa área de pesquisa, o projeto das básculas foi atualizado e aperfeiçoado. As básculas são grandes equipamentos de monitoramento da vazão do escoamento superficial que possuem mesmo funcionamento que pluviômetros. A partir dos dados de campo, foi possível obter curvas de escoamento que representam de forma condizente os processos hidrológicos. A utilização de básculas automatizadas permitirá não apenas a quantificação do escoamento superficial, mas também a criação de curva de escoamento ao longo do tempo para as diferentes coberturas do solo. Por fim, para o monitoramento da umidade do solo, diferentes tecnologias de baixo custo estão sendo testadas em campo. Os resultados preliminares sugerem que sensores capacitivos SKU:SEN0193 são promissores no monitoramento da umidade do solo, sendo uma alternativa de baixo custo satisfatória para monitoramento das oscilações devido à eventos de precipitação e também determinação do tempo de chega da frente de umedecimento. As informações coletadas servirão como dados de entrada, calibração e validação do modelo Hydrus. Uma vez calibrado e validade segundo as particularidades locais, o modelo tornar-se-á uma ferramenta útil para descrever o comportamento hidrológico sob os atuais usos e ocupações solo em áreas do bioma Cerrado. Isso permitirá uma melhor compreensão das respostas hidrológicas a eventos atuais e a análise de cenários futuros sob condições de mudanças climáticas. (AU)

Existe uma predominância na literatura de estudos envolvendo a ebulição convectiva em reduzidas pressões, características de aplicações de refrigeração e ar condicionado. Devido ao crescente interesse em ciclos de Rankine orgânicos, assim como em caldeiras de leitos fluidizados recirculantes e reatores supercríticos à água, os estudos em pressões elevadas se intensificaram nos últimos anos. As propriedades termofísicas dos fluidos apresentam significativa variação em pressões elevadas, especialmente na proximidade da pressão crítica. A entalpia de vaporização e a densidade da fase líquida apresentam decrescimentos acentuados quando a pressão se aproxima da crítica, resultando em características únicas de transferência de calor em ebulição. Entretanto, somente um grupo reduzido de pesquisadores avaliou o fenômeno de transferência de calor em elevadas pressões, enquanto em pressões quase críticas o grupo é ainda mais restrito. A maioria dos estudos disponíveis na literatura foram realizados em diâmetros convencionais, utilizando fluidos refrigerantes com significante potencial de aquecimento global (Global Warming Potential - GWP). Além disso, apesar de serem investigados escoamentos horizontais e verticais, os estudos não avaliaram inclinações intermediárias. Neste contexto, a presente proposta trata de um estudo envolvendo a ebulição convectiva em pressões elevadas dos fluidos refrigerantes R245fa e R1233zd(E) em um tubo de 2 mm de diâmetro com diferentes inclinações. Ambos os fluidos possuem potencial de aplicação em ciclos Rankine orgânicos, com o segundo deles possuindo GWP aproximadamente nulo. O estudo será conduzido em uma bancada experimental localizada no Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon, e os efeitos da velocidade mássica, do fluxo de calor, da inclinação do escoamento e do subresfriamento no coeficiente de transferência de calor, na perda de pressão e no fluxo crítico de calor serão avaliados. Os resultados serão comparados com métodos de previsão da literatura e, caso haja necessidade, novos métodos serão propostos. (AU)

Eventos hidrológicos extremos, como secas e cheias, são uma das principais causas de desastres ao redor do mundo, e este cenário deve ser agravado pelas mudanças climáticas e de uso e ocupação do solo. Como consequência, riscos para a população também aumentam, uma vez que os eventos de cheia nos centros urbanos tornam-se mais frequentes e o paralelo entre aumento da demanda e escassez de recursos contribui para aumentar a insegurança hídrica, energética e alimentar. Nesse contexto, a abordagem Nexus - água, energia, alimento surge, integrando estes três recursos para tornar a sociedade mais resiliente e aumentar a sustentabilidade das cidades e comunidades, visando os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), da ONU. As Técnicas Compensatórias (também conhecidas como Low Impact Development - LID - internacionalmente) podem ser usadas como uma ferramenta para atingir cidades mais resilientes, se integrados com propósitos de retenção do escoamento superficial, melhora da qualidade da água e cultivo de água da chuva, para outros do que apenas o reuso da água. No entanto, ainda existem algumas lacunas em implementar esses sistemas para múltiplos propósitos. Normalmente, os estudos de LID direcionam-se apenas a um dos propósitos (apenas efeitos de remoção da poluição, ou apenas contribuições para controle de cheias) e as metodologias de dimensionamento focando nesses múltiplos objetivos ainda precisam ser melhor desenvolvidas e aprimoradas. Adicionalmente, os fatores-chave que afetam a performance dos sistemas, especialmente quando considerando estes múltiplos objetivos e diferentes condições climáticas, ainda são pouco entendidos. Assim, esse projeto visa avaliar sistemas de bioretenção dimensionados para segurança hídrica-energética-alimentar, operando em diferentes escalas e condições. Para tal, sistemas de bioretenção implantados no Brasil e na Austrália (ambos em áreas subtropicais mas com diferentes padrões de chuva) serão monitorados. A partir dos dados monitorados, será possível modelar o sistema em termos de retenção de escoamento superficial e tratamento da água, realizando análises de sensibilidade para identificar os fatores-chave que devem ser levados em conta durante o dimensionamento e operação. No mais, os resultados obtidos pelo monitoramento e modelagem serão avaliados a partir de novas métricas propostas que identificam a contribuição para reciclagem de água e recursos, ganhos ambientais e economia de gastos.

A estimativa da espessura do filme de líquido (EFL) em escoamentos anulares é crítica em processos de transferência de calor envolvendo escoamentos bifásicos, uma vez que a condução através do filme de líquido é a principal resistência térmica para a ebulição convectiva e para a condensação convectiva. Além disto, vale ressaltar que a parcela da perda de pressão por atrito também está associada às características do filme de líquido. Logo, a correta previsão da EFL é uma ferramenta crucial para o desenvolvimento de métodos de previsão para o coeficiente de transferência de calor, perda de pressão e fluxo crítico de calor (secagem de parede). Atualmente, o Multiphase Flow Visualization and Analysis Laboratory (MFVAL) coordenado pelo Prof. Gregory F. Nellis na Universidade de Wisconsin-Madison (classificada como 40ª melhor no mundo de acordo com a classificação da Times Higher Education ranking na área de engenharia e educação) está trabalhando no aperfeiçoamento da técnica, inicialmente proposta por Shedd e Newell (1998), para a medição da EFL em superfícies planas. Neste contexto, a presente proposta de estágio tem como objetivo que o estudante de doutorado aprenda o atual know-how sobre a medição da EFL desenvolvido pelo MFVAL na Universidade de Wisconsin-Madison. Também é esperado que, durante o estágio, o aluno estenda para geometrias curvas e avalie a acuracidade da técnica para medição da EFL, atualmente desenvolvida para superfícies planas. Após seu retorno ao Brasil, é esperado que o estudante implemente e utilize a técnica desenvolvida para avaliação da EFL no aparato presente no Heat Transfer Research Group da EESC-USP para estudos envolvendo a condensação convectiva. A partir dos dados para a EFL, e resultados experimentais obtidos previamente ao estágio no exterior para o coeficiente de transferência de calor e perda de pressão, novos modelos fenomenológicos para a fração de vazio, coeficiente de transferência de calor e perda de pressão serão propostos. É esperado também, baseando-se nas medições da EFL, separar o processo de condensação entre efeitos inerciais e efeitos gravitacionais dominantes, permitindo o desenvolvimento de métodos de previsão mecanicistas que incorporem a fenomenologia do processo. É importante ressaltar que esta proposta permite combinar a transferência de tecnologia para um grupo de pesquisa no Brasil e proporcionar experiência internacional para um estudante brasileiro que apresenta desempenho acima ao de seus colegas. (AU)