Os recentes avanços nas técnicas computacionais e de medição têm possibilitado um estudo cada vez mais detalhado dos fluidos. No entanto, esse crescimento exponencial no volume de dados apresenta grandes desafios. O primeiro deles é a extração de conclusões e informações relevantes desse vasto conjunto de dados. Além disso, casos experimentais frequentemente sofrem com um forte ruído quando técnicas avançadas são empregadas na tentativa de obter a máxima precisão, como é o caso da velocimetria por imagem de partículas (PIV). Nesse contexto, a aprendizagem de máquina traz novas ferramentas e metodologias que permitem analisar, sintetizar e filtrar os dados de forma eficiente, possibilitando avanços significativos com base nos dados obtidos. Este trabalho propõe o desenvolvimento e a aplicação de metodologias de aprendizado de máquina aos resultados obtidos tanto experimentalmente quanto numericamente em mecânica dos fluidos. As medições PIV serão a fonte de dados experimentais, enquanto as simulações computacionais de mecânica dos fluidos (CFD) serão a fonte de dados numéricos. Inicialmente, o projeto concentra-se em métodos de aprendizado de máquina não supervisionado, em particular a decomposição POD, que permite a identificação das macroestruturas do escoamento, o RPOD, que possibilita a filtragem de resultados experimentais fortemente corrompidos, e o t-SNE, que é uma poderosa ferramenta de síntese para grandes volumes de dados. Com isso, este projeto também visa ampliar significativamente nossa compreensão sobre o comportamento desses sistemas fluidos complexos. (AU)

O ponto crítico representa um estado termodinâmico além do qual as fases gasosa e líquida de um fluido não podem mais coexistir. Esta instabilidade mecânica cria um fenômenoconhecido como anomalia crítica, ou seja, todas as propriedades termodinâmicas divergem algebricamente quando o ponto crítico é alcançado ao longo da temperatura reduzida. Além disso, os respectivos expoentes críticos são essencialmente universais para todos os fluidos e correlacionados de tal forma que apenas existem dois distintos. Essas anomalias geralmente resultam em um comportamento incomum do fluido. Por exemplo,a compressibilidade do fluido exibe um aumento acentuado mesmo para escoamentos de baixo número Mach, o que permite que diferenças mínimas de temperatura gerem ondas termoacústicas. Essas ondas transportam energia da camada limite térmica para o fluido em velocidades acústicas. Quandoisto ocorre em um meio confinado, isso leva a um rápido aumento da temperatura global.Conhecido como efeito pistão, esse fenômeno foi observado pela primeira vez em experimentos de baixa gravidade e explicado logo após usando um modelo termodinâmico simplificado, bem como simulações das equações compressíveis de Navier-Stokes. Desde esses estudos pioneiros, a influência de estados termodinâmicos quase críticos no escoamento de fluidos e na transferência de calor tem sido extensivamente explorada. Trabalhos recentes sobre transferência de calor supercrítica i) mostraram que as propriedades variáveis dos fluidos têm pouco efeito no aumento médio da temperatura, ii) descreveram os requisitos necessários de consistência para que os resultados obtidos a partir de simulações do modelo termodinâmico e através das equações de Navier-Stokes coincidam, iii) derivaram uma expressão analítica para o tempo de relaxamento da temperatura média, iv) demonstraram a importância da modelagem da impedância da parede ao tentar validar simulações de Navier-Stokes e v) mostraram que a impedância da parede pode essencialmente eliminar o efeito do pistão. Por fim, vale ressaltar uma tentativa bastante recente de entender melhor como as instabilidades dos escoamentos de fluidos são afetadas por a proximidade do ponto crítico termodinâmico.

Atualmente a aplicação de sprays já é comumente realizada nas mais diversas áreas da indústria. Em motores a combustão, por exemplo, é comum utilizar um sistema de injeção de combustível através de sprays, a fim de aumentar a atomização do fluido e evitar a adesão e o contato nas paredes da câmara de combustão. Outra importante aplicação baseia-se no resfriamento de superfícies, como a de um reator nuclear de nêutrons rápidos e de produtos na indústria metalúrgica. Neste sentido, o desenvolvimento de modelos gerais para o comportamento dos sprays apresenta limitações, especialmente devido ao fato de que este fenômeno é controlado por parâmetros médios globais. Essa dificuldade pode ser superada através do estudo detalhado de sprays no qual, no caso da presente proposta do projeto, foca-se no comportamento do fluido durante a injeção através de um injetor automotivo. Neste sentido, na busca pela formulação de modelos hidrodinâmicos, independentemente da aplicação, é de extrema importância o conhecimento da distribuição do tamanho e da velocidade das gotas. Deste modo, a presente proposta de Iniciação Científica propõe a caracterização de um spray automotivo visando o estudo dos parâmetros físicos das gotas produzidas, alimentando futuras investigações do grupo sobre o impacto de gotas sobre paredes para modelagem de resfriamento por sprays. Os ensaios de injeção de água serão realizados após a construção de uma bancada experimental que permita o controle da pressão do fluido injetado e de parâmetros do injetor, como frequência de acionamento e tempo de abertura. O objetivo é criar um banco de dados robusto sobre as algumas características hidrodinâmicas de injeção, a partir da variação de parâmetros do experimento, tais como a pressão e o tempo de injeção através da utilização da técnica de Velocimetria por Rastreamento de Partículas (PTV). Ademais, será utilizado o software Particle Master da LaVision com o intuito de realizar o tratamento dos dados obtidos, permitindo neste sentido a obtenção de correlações desejadas, como, por exemplo, a velocidade da gota em função da posição do spray e do diâmetro da própria gota.

O impacto de gotas em paredes aquecidas ainda é amplamente estudado na literatura devido às suas diversas aplicações na indústria, como metalurgia, energia nuclear, automotiva, eletrônica, entre outras. Embora muito se tenha avançado nas últimas décadas, poucas investigações utilizaram técnicas ópticas combinadas para medir todos os processos térmicos e de dinâmica de fluidos antes, durante e depois do impacto da gota. Além disso, estudos com impacto de múltiplas gotículas são quase inexistentes devido à complexidade do fenômeno e aos experimentos demorados. No entanto, estudar transferência de calor com múltiplas gotículas impactando em uma parede aquecida é um passo importante para entender melhor o resfriamento por spray e desenvolver um modelo baseado na física. O presente aluno de doutorado direto realizará experimentos exaustivos de impacto de gotas únicas e múltiplas em uma parede aquecida no regime de Leidenfrost. Os principais objetivos são: compreender melhor como múltiplas gotas afetam o regime de impacto e a dissipação de calor de uma parede aquecida; extrair o calor dissipado pelo impacto de gotas únicas e múltiplas, bem como o coeficiente de transferência de calor e a temperatura de Leidenfrost; desenvolver modelos para o coeficiente de transferência de calor e temperatura de Leidenfrost para impacto de múltiplas gotas e comparar com resultados experimentais. O doutorando utilizará técnicas ópticas para caracterizar diferentes parâmetros, como Shadowgraph (SDG) para o tamanho, forma e velocidade da gota, Fluorescência Planar Induzida por Laser (PLIF) para a temperatura da gota, Reflexão Interna Total (TIR) para o contato gotícula-parede e termografia infravermelha (IRT) para a temperatura da parede. Enquanto as atividades desenvolvidas na EESC/USP serão orientadas por Arthur Oliveira, o doutorando passará um ano de seu projeto no LEMTA, da Université de Lorraine, para realizar experimentos complementares sob a supervisão do Prof. Gradeck, que enriquecerá a campanha experimental e as validações do modelo. (AU)

O congelamento de gotas está presente nas mais diversas áreas da indústria. Na aeronáutica, por exemplo, gotas de água podem congelar em aeronaves em pleno voo de cruzeiro, o que oferece um risco durante o voo, visto que há a possibilidade da obstrução e quebra de equipamentos essenciais para o voo, como o tubo de pitot, flaps, pás da turbina e outros. Esse fenômeno de congelamento de gotas também está presente em evaporadores de ciclos de refrigeração, que tem sua eficiência comprometida devido ao acúmulo de gelo. Os estudos do congelamento de gotas e o seu impacto em superfícies resfriadas visam propor soluções para evitar problemas como os mencionados acima. Há muitos estudos na literatura abordando o impacto de gotas em superfícies congeladas, porém a maioria limitou-se a metodologias simplificadas de visualização e medição. Por isso, há a necessidade de novos trabalhos que usam combinações de técnicas avançadas de medição de campo de temperatura e de análise de imagem, possibilitando uma visão mais detalhada do fenômeno. Diante desse contexto, essa pesquisa de Iniciação Científica propõe a realização de ensaios de impactos de gotas em superfícies frias, utilizando as técnicas de Shadowgraph e LIF (Fluorescência Induzida por Laser). O objetivo é iniciar o estudo do congelamento de gotas durante o impacto sobre superfícies frias usando técnicas ópticas desenvolvidas pelo grupo de pesquisa do Auxílio Jovem Pesquisador. Para isto, alguns parâmetros serão variados, como: i) velocidade de impacto da gota; ii) temperatura da parede e iii) temperatura inicial do fluido. Uma bancada com ambiente controlado é proposta para a realização dos ensaios, mas também uma bancada aberta poderá ser utilizada para melhorar o acesso óptico à seção de testes, permitindo, assim, o uso da técnica de LIF para a caracterização da frente de congelamento. Esta Iniciação Científica abrirá portas para o grupo de pesquisa explorar novas aplicações de estudos de impacto de gotas além do resfriamento de superfícies aquecidas.

Turbulência de parede é uma classe de problemas extremamente importante em mêcanica dos fluidos, devido à sua importância científica e também à sua relevância tecnológica. Grande parte do consumo de energia associado a atividades industriais e comerciais é causado pela dissipação turbulenta em transporte de fluidos em tubulações e canais, e no movimento de veículos em meios fluidos. Isto torna o arrasto turbulento um grande contribuidor para as mudanças climáticas, sendo responsável por toneladas de CO2 despejados na atmosfera para sustentar atividades humanas. A compreensão de escoamentos turbulentos em região de parede, e o seu controle, constituem portanto um assunto de enorme impacto social e ambiental. No entanto, o atual nível de compreensão dos fenômenos turbulentos é incompleto, o que prejudica a capacidade de propor estratégias de controle eficientes. Este projeto de pós-doutorado visa a abordar esta problemática através do uso de modelos de ordem reduzida para a dinâmica, estimação e controle de escoamentos turbulentos em região de parede. A proposta se desenvolverá a partir de um modelo elaborado pelo supervisor proponente, o qual baseia-se no método de projeções de Galerkin em conjunto com as equações de Navier-Stokes. O projeto tem dois objetivos principais: i) estender o modelo com a inclusão de estruturas que não são levadas em consideração em sua versão atual, o que melhoraria a sua comparação com dados reais e levaria a uma melhor compreensão dos processos de turbulência auto-sustentada; ii) a elaboração de uma estratégia de controle em que o modelo de ordem reduzida é usado em conjunto com algoritmos não-lineares para estimação e controle, baseados em filtros de Kalman e métodos adjuntos, respectivamente. Espera-se que essa estratégia seja mais barata do ponto de vista computacional em relação outras que se baseiam em sistemas completos, e potencialmente realizável em aplicações reais. Espera-se que os resultados do projeto contribuam com a comunidade científica e com o desenvolvimento da indústria nacional, tendo como meta a redução de seu impacto ambiental. (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.

O comportamento da chama difusiva está intrinsecamente relacionado ao escoamento, e o calor liberado pela chama é uma das principais fontes de amplificação das instabilidades hidrodinâmicas. Portanto, a análise de estabilidade de escoamentos reagentes é crucial para o desenvolvimento de novos sistemas de combustão. Neste projeto, a estabilidade do escoamento gerado pela chama difusiva duplo Tsuji - uma chama derivada da chama Tsuji tradicional - é investigada. Esta nova configuração - introduzida por este requerente em sua dissertação de mestrado - consiste em um queimador cilíndrico que ejeta radial e uniformemente o combustível gasoso, ao mesmo tempo em que escoamentos impingentes trazem o oxidante gasoso da atmosfera ambiente em direção ao queimador. A principal característica desta chama é a representação de variações geométricas contínuas, desde o modo contrafluxo (próximo ao eixo de simetria vertical) até o modo cofluxo (próximo ao eixo de simetria horizontal). O objetivo deste projeto é demonstrar a interação entre a combustão e as instabilidades hidrodinâmicas sob diferentes modos. Assim, o queimador duplo Tsuji é a escolha natural, pois foi introduzido pelo proponente em seu mestrado. Além do interesse fundamental, este estudo também tem potencial industrial, pois o queimador duplo Tsuji emite pouca fuligem, de acordo com estudos preliminares. Uma análise mais aprofundada é necessária para determinar sua estabilidade, e este projeto fará exatamente isso. (AU)

A fluidização e o transporte partículas sólidas por um escoamento turbulento são bastante comuns na natureza e na indústria. Alguns exemplos são o transporte de areia pelo vento no deserto e pela água em rios e oceanos, o transporte de areia em canais e sistemas de dragagem e de esgoto, a fluidização de grãos para a gaseificação de combustíveis sólidos, e o transporte pneumático de grãos na indústria de alimentos. Em termos de balanço de forças, o escoamento do fluido transfere parte de sua quantidade do movimento para o leito granular que então se fluidiza ou se desloca, dependendo do caso. Ao se fluidizar ou se deslocar, os grãos podem oscilar a frequências características e também formar clusters, que são estruturas maiores e oscilam a frequências mais baixas. As oscilações do meio granular afetam o fluido em escoamento, que é o responsável pelo movimento dos grãos, em uma espécie de mecanismo de feedback. No caso de escoamentos turbulentos, as oscilações dos grãos alteram as características do escoamento original, afetando o escoamento médio, as flutuações, e as energias em cada escala. Apesar de bastante comum, este é um problema ainda em aberto e para o qual medidas experimentais são necessárias. Este estágio de pós-doutorado propõe uma investigação experimental do escoamento turbulento interagindo com um meio granular denso. Os experimentos serão realizados em dois casos: (I) um leito fluidizado por um líquido e (II) um leito móvel horizontal, de forma a se comparar os efeitos da interação para estes diferentes casos. As medidas do escoamento serão realizadas com PIV (Particle Image Velocimetry) de baixa frequência (4 Hz) e visualização com câmera de alta velocidade (1 kHz) e laser contínuo. Para o caso do leito fluidizado, a técnica de casamento de índices óticos entre o líquido e os grãos será realizada. Com isto, pretende-se obter detalhes da estrutura do escoamento turbulento sobre o leito móvel e através de um leito fluidizado (campos médios de velocidade e momentos de segunda ordem, etc. (AU)

O movimento de um intruso sólido em um meio granular é frequente na natureza e nas atividades humanas. Alguns exemplos são o movimento de animais e máquinas sobre e no interior de meios granulares, a penetração e o impacto de objetos sólidos na areia, e aplicações geoespaciais, como o pouso de sondas espaciais em outros planetas. A física por trás da dinâmica desses movimentos permanece pouco compreendida e questões relacionadas à evolução de redes de força e contato, à ocorrência de "jamming" e bloqueios e à taxa de deslocamento de grãos precisam ser melhor investigadas. Este projeto consiste em investigações numéricas e experimentais do problema. Ainda, métodos analíticos também devem ser empregados na busca de um modelo para o problema. A parte experimental consistirá de um intruso afixado na parte superior de uma célula de Couette preenchida com discos fotoelásticos, e será posta em movimento de modo que o intruso e os grãos tenham um movimento relativo. O movimento dos grãos será rastreado e os deslocamentos e padrões de contato serão identificados. Além disso, com o uso de luz e polarizadores adequados, mediremos a evolução das redes de forças e de contato. A parte numérica consistirá em simulações CFD-DEM do mesmo problema. Com as técnicas numéricas e experimentais propostas, seremos capazes de entender melhor a formação de redes de forças e tensões, analisar a taxa de deslocamento dos grãos, e acessar zonas bloqueadas ou estagnadas. Pretendemos propor um novo modelo para prever as trajetórias dos grãos e a força resultante sobre o intruso, avançando a compreensão atual sobre meios granulares. Este projeto faz parte de um projeto maior, jovem pesquisador fase dois da FAPESP, processo nº 2018/14981-7, e é provável que parte do trabalho seja realizada em colaboração com Douglas Jerolmack, da Universidade da Pensilvânia, com quem o orientador está atualmente escrevendo um artigo sobre "jamming problems". (AU)