EE - Escola de Engenharia
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- ItemConstructal design applied to an oscillating water column wave energy converter device subjected to a realistic sea state(2022) Maciel, Rafael Pereira; Isoldi, Liércio André; Gomes, Mateus das NevesThis work presents a numerical analysis of an Oscillating Water Column (OWC) converter device, an ocean Wave Energy Converter (WEC) into electrical energy, using realistic sea state data. The main goal of this work is to perform a geometric evaluation of this device in order to define an optimal geometry to maximize its available hydrody- namic power. To do so, the WaveMIMO methodology was employed, which converts sea data from spectral wave model Tomawac into time series of free surface elevation, which is, then, appropriately treated and transformed into orbital velocity compo- nents of water particles. Tomawac obtained realistic sea state data from the coastal region of the city of Rio Grande, in the state of Rio Grande do Sul, Brazil, for the year 2014, which was used for the study case. In the numerical simulations, it was also em- ployed a methodology which uses transient velocity data as a means to impose velocity boundary condition for the generation of numerical waves. This methodology was validated reproducing a laboratory experiment with regular waves, which consisted of laboratory-scale OWC device inserted in a wave channel. To perform the geometrical evaluation of the device, the Constructal Design method is employed. The objective function is to maximize the available hydropneumatic power. The hydropneumatic chamber volume (VHC) and the total volume of the OWC device (VT ) are adopted as geometric constraints of the problem and were kept constant. Three degrees of freedom (DOF) are chosen for this study: H1 /L (ratio between height and length of the hydropneumatic chamber), whose values are varied, H2/l (ratio between height and length of the turbine duct) and H3 (submergence depth of hydropneumatic chamber), whose values were kept constant. Finally, the best device performance happened with geometry of H1 /L value of 0.1985 and presented a hydropneumatic power Phyd of 29.63 W. That is 4.34 times higher than the power obtained with the worst geometry performance, which was 6.83 W, obtained with the degree of freedom H1 /L value of 2.2789; and 2.49 times higher than the power obtained by the device with the same dimensions as those from the one in Pico island, which was 11.89 W. The contribu- tion of this study is to perform a geometric evaluation, with the Constructal Design method, of an OWC device subjected to realistic irregular waves from the wave climate of the coastal region of the city of Rio Grande, in the state of Rio Grande do Sul, Brazil, which is unprecedented in the literature.
- ItemDiagnóstico da qualidade da água monitorada pelo Porto de Rio Grande -RS conforme condicionantes de legislação ambiental(2021) Correia, Sandra; Kirinus, Eduardo de PaulaO estuário da Lagoa dos Patos está inserido em uma região extremamente dinâmica e possui em seu entorno a cidade de Rio Grande e um dos portos marítimos de maior importância da América Latina. Frente a isto, essa região deve ser monitorada frente a possíveis ações poluentes em relação à legislação ambiental vigente. Sendo assim, o presente trabalho objetivou obter um diagnóstico ambiental da qualidade da água do estuário da Lagoa dos Patos, além de estimar parâmetros tróficos e analisar o atual enquadramento legislativo ambiental dos dados analisados. Foram consideradas 3 linhas de base, a primeira na caracterização do corpo hídrico “referência” e as outras após o Licenciamento Ambiental. A metodologia considerou uma comparação dos dados obtidos e suas conformidades com a legislação vigente. O cálculo do índice de estado trófico considerou o zoneamento portuário existente. Avaliando os parâmetros obtidos, foi possível observar que dentre as diversas medições de monitoramento anual, as concentrações alcançadas para a série nitrogenada e fósforo total estavam acima do estabelecido pela Resolução no 357 do Conselho Nacional de Meio Ambiente. Os resultados não se enquadraram dentro dos requisitos das classes 1 e 2 simultaneamente, sendo que os parâmetros mais divergentes são: nitrogênio amoniacal, nitrato, demanda bioquímica de oxigênio e fósforo total. Este quadro indica que o uso predestinado das águas não atende os padrões pré-estabelecidos. Foi possível ainda observar que desde o início da caracterização das águas da Lagoa dos Patos em 1996 e 1997, o corpo de água continua com nível de trofia “hipereutrófico”, e nitrogênio amoniacal, acima do previsto em legislação.
- ItemMétodo dos elementos finitos como ferramenta de análise da interação solo-estrutura em um cais na cidade de Rio Grande - RS(2021) Martins, Pedro da Fontoura; Fagundes, Diego de FreitasDurante a vida útil de projeto, as estruturas de acostagem sofrem diversos tipos de cliente como elo de do asto do cire o, quio popo da carin de estruturas de grande porte e com elevado nível de complexidade, a análise através de métodos numéricos é uma das soluções mais viáveis para entender o comportamento da interação entre o solo e a estrutura muitas vezes negligenciado nos projetos. O presente trabalho apresenta uma análise da interação solo-estrutura nas estacas da fundação de um cais hipotético baseado no projeto do cais do estaleiro Honório Bicalho na cidade de Rio Grande. Para tal, foi utilizado o método de elementos finitos (MEF) através da ferramenta computacional PLAXIS 2D. Na implementação do modelo, foram verificadas as características de projeto do cais e as solicitações às quais a estrutura é submetida ao longo de sua vida útil. As características do solo do local de estudo foram avaliadas através dos resultados da campanha de ensaios SPT realizada no local e complementadas pelos resultados de ensaios de CPTu e Vane test. Os parâmetros geotécnicos foram estimados com base em conjunto de métodos sugeridos pela literatura. Devido a variabilidade encontrada na obtenção desses parâmetros, foi executado um estudo de sensibilidade para avaliar a influência dos parâmetros geotécnicos nos valores dos esforços e deformações das estacas do cais obtidos nos modelos numéricos. Com isso, foi observado que a resistência não drenada e o módulo de elasticidade das camadas argilosa tinham a maior influência nos resultados. Por fim, um estudo paramétrico analisou a variabilidade das características do solo local e diferentes cenários de cargas atuantes na estrutura do cais. A utilização do software PLAXIS 2D permitiu que fossem geradas curvas relativas ao deslocamento vertical e horizontal das estacas do cais, assim como das tensões axiais, esforço cortante e momentos na estrutura. Os resultados mostram uma grande variabilidade nas deformações e os esforços gerados ao longo das estacas em função dos diferentes parâmetros geotécnicos adotados. Em alguns modelos a multiplicação dos valores do módulo de elasticidade em três vezes pode acarretar em redução de 26,6% no momento fletor máximo de uma estaca e de redução de até 93,2% no resultado dos recalques. Já o aumento de resistência não drenada de 30 kN/m' para 80 kN/m' apresentou variação de até 66,3% no deslocamento horizontal das estacas e de 68% no esforço cortante em determinadas estacas da estrutura, evidenciando a importância da escolha dos parâmetros geotécnicos para o projeto.
- ItemAnálise geométrica e numérica da transferência de calor por convecção forçada de escoamentos turbulentos em um trocador de calor de micro canal(2023) El Halal, Youssef Bandeira; Santos, Elizaldo Domingues dos; Teixeira, Filipe BrancoO presente trabalho consiste na avaliação numérica de um escoamento turbulento, permanente, bidimensional, incompressível e com convecção forçada ao longo de um micro canal com paredes com corrugações em formato trapezoidal. A geometria do domínio é avaliada com o método Design Construtal. São aplicadas duas restrições, a área do micro canal e a área do trapézio da corrugação a montante do canal. A partir disso, são avaliados dois graus de liberdade: a razão entre a base menor e a base maior do trapézio da corrugação a montante do canal (LA2/LA1) e a razão entre a altura do trapézio e sua base maior (H1/LA1). Todos os casos são simulados para escoamentos convectivos com números de Reynolds e Prandtl iguais a ReD = 22.000 e Pr = 0,71. As equações temporais médias de conservação de massa, quantidade de movimento e energia são resolvidas através do Método dos Volumes Finitos implementado no software Ansys Fluent com modelo de turbulência RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) e fechamento da turbulência utilizando o modelo kω - SST (Shear Stress Transport). O estudo tem por objetivo avaliar o efeito da geometria das corrugações sobre a taxa de transferência de calor e a perda de carga através do micro canal. Através do estudo foi possível encontrar a razão H1/LA1 a qual gera uma melhora de 26,2% na taxa de transferência de calor quando comparado ao pior caso para uma mesma razão LA2/LA1. Além disso, os resultados indicaram que, as maiores inserções da corrugação trapezoildal inferior conduziram a um melhor desempenho térmico do trocador, enquanto a corrugação superior possui pouca contribuição para a troca térmica. Do ponto de vista fluidodinâmico, as menores inserções na direção normal ao escoamento conduziram a menores perdas de carga, como intuitivamente esperado.
- ItemSimulação numérica por elementos finitos do processo de calandragem de perfis de alumínio 6061 T6 usados em aplicações navais(2024) Moreira, Mauricio da Silva; Isoldi, Liércio André; Guilherme, Carlos Eduardo Marcos; Souza, João Henrique Corrêa deEsta dissertação tem como foco principal a validação de um modelo computacional utilizado para simular o processo de calandragem de perfis metálicos utilizando diferentes elementos finitos. Adicionalmente, o estudo abrange a previsão de defeitos durante o processo de calandragem. Para tanto, foram realizados testes de validação do modelo em um perfil I de aço S235, com os resultados comparados aos dados experimentais disponíveis na literatura. Posteriormente, o modelo validado foi empregado em um estudo de casos envolvendo quatro perfis de alumínio 6061-T6, os quais possuem diferentes seções transversais. O alumínio 6061-T6 é uma liga amplamente empregada em aplicações marítimas devido às suas propriedades, como resistência à corrosão, elevada resistência mecânica, leveza, boa soldabilidade e resistência à fadiga. Nesse estudo, os perfis foram submetidos a simulações numéricas, considerando esforços verticais aplicados por meio dos rolos de calandragem. Para avaliar a robustez do modelo, foram testados quatro tipos distintos de elementos finitos: o elemento finito hexaédrico de ordem linear com 8 nós (SOLID185), o elemento finito hexaédrico de ordem quadrática com 20 nós (SO- LID186), o elemento finito tetraédrico de ordem quadrática com 10 nós (SOLID187) e o elemento finito tetraédrico de ordem linear com 4 nós (SOLID285). Os resultados desses testes foram comparados entre si e com os dados experimentais disponíveis. Os testes de convergência de malha revelaram a estabilidade dos resultados, com uma variação de -0,61% ao utilizar o elemento finito SOLID186 e uma estabilidade de 6,59% com o ele- mento finito SOLID187. Os elementos finitos SOLID185 e 285 demonstraram uma menor estabilidade, com variações superiores a 15%. Os resultados obtidos destacaram a consistência entre os diferentes elementos finitos testados, apesar de algumas diferenças na precisão. Além disso, ao comparar os resultados da simulação com o perfil I de aço S235 com os dados experimentais, observou-se uma discrepância de -1,61% para o modelo que utilizou o elemento finito SOLID186 e -10,48% para o modelo que empregou o elemento finito SOLID187. Com base nesses resultados, foi possível validar o modelo computacional e determinar que os elementos finitos SOLID186 e SOLID187 são os mais adequados para representar com precisão o processo de calandragem de perfis metálicos. Já no estudo de casos, os resultados obtidos demonstram padrões consistentes em relação às tensões e deslocamentos em diferentes raios de curvatura. À medida que o raio de curvatura diminui, a tensão de von Mises tende a aumentar, aproximando-se do limite de resistência do material. Esse fenômeno é crítico para identificar os pontos de tensão máxima e garantir margens de segurança adequadas para evitar falhas estruturais. Os deslocamentos ao longo dos perfis também são monitorados e fornecem informações importantes sobre a evolução do deslocamento em diferentes raios de curvatura. A pesquisa identifica padrões consistentes que ajudam a determinar a influência direta da curvatura nos defeitos resultantes, contribuindo para a compreensão aprofundada do comportamento mecânico desses perfis.
- ItemModelos reduzidos em campo de estaca torpedo instaladas por fluidização em solos granulares(2023) Rocha, Luciano Vasconcelos; Fagundes, Diego de Freitas; Camargo, Karina RetzlaffO presente estudo teve como objetivo verificar a instalação de estacas torpedo através da aplicação de jatos verticais de água, como um método alternativo para a instalação deste tipo de âncora no leito marinho, hoje cravadas por queda livre. Para isso foram utilizados modelos reduzidos da estaca torpedo fictícia, utilizada em pesquisas anteriores, T66 (com massa de 66 toneladas, comprimento de 17 m e diâmetro de 1,07 m) na escala 1:12, seguindo a Lei de Semelhança pelo Número de Froude. O modelo possuía 1,50 m de comprimento e 90 mm de diâmetro. Para este modelo foram utilizados dois valores de massa e dois diâmetros de saída do jato. Os ensaios de instalação foram executados com vazão constante de 41,6 L/min ou com vazão escalonada em quatro estágios durante a instalação até atingir a vazão máxima de 41,6 L/min. Provas de carga à tração para a determinação da capacidade de ancoragem dos modelos foram executadas imediatamente após o processo de instalação. Os resultados dos ensaios indicaram o aumento da profundidade de instalação com o acréscimo da vazão, em que o aumento de 400% na vazão levou ao aumento de 2300% na penetração média. Em 58 % dos ensaios a estaca penetrou todo o seu comprimento no solo. Diferentemente da vazão, a velocidade de saída do jato ter demonstrou não ter influência significativa na profundidade de instalação. A massa da estaca também demostrou influenciar na profundidade de instalação, a qual aumentou com o aumento da massa. A penetração média na configuração com 31 kg e 42,5 kg foram de 1.126 mm e 1314 mm, respectivamente. Os modelos instalados com vazão constante de 41,60 L/min, a capacidade de ancoragem média 0,99 kN, enquanto instalados com vazão escalonada foi de 1,83 kN. Quando o modelo foi instalado com vazão constantes de 41,6 L/min, a capacidade de ancoragem média verificada foi de 2,31 vezes o peso da estaca, enquanto instalado com vazão escalonada (variável) foi de 5,05 vezes. Para a escala testada, vazões aplicadas e características do solo de campo, os resultados obtidos no presente estudo apresentaram estar em consonância com pesquisas anteriores apresentadas na literatura.
- ItemAnálise do comportamento mecânico do rejeito de dragagem cimentado(2024) Ramson, Caio Yan Pimpão; Fagundes, Diego de FreitasO Porto do Rio Grande tem grande relevância econômica para o Rio Grande do Sul e, especificamente, para a cidade do Rio Grande. Para a manutenção do funcionamento dessa atividade, se faz necessária a realização de sucessivos processos de dragagem do Canal de Acesso ao Porto, para garantir a trafegabilidade de embarcações no local. Corriqueiramente descartados em alto-mar, faz- se necessário encontrar usos alternativos para o resíduo que oriunda do processo de dragagem. Assim, o presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento mecânico de rejeito de dragagem quando submetido ao processo de melhoramento por mistura com agentes estabilizadores. Para isso, o estudo foi dividido em duas etapas. Na primeira etapa, foi feito um programa experimental com um projeto fatorial 2k com quatro fatores controláveis: massa de Cimento Portland, relação do teor de umidade pelo limite de liquidez, massa de areia seca e tempo de cura. Foram analisados nessa etapa um total de noventa e seis corpos de prova, sendo que parte dos corpos de prova passaram por cura em câmara úmida, e parte por cura em condição saturada, através da imersão dos corpos de prova. Na segunda etapa da pesquisa, descrita como estudo final, foi desenvolvido um programa experimental com cinco fatores controláveis, sendo esses os mesmos empregados na etapa 01, com acréscimo da quinta variável: cal de carbureto. Para essa etapa final, foram analisados um total de 210 corpos de prova, em ensaios de ruptura a compressão simples e tração na compressão diametral. Os resultados demonstram a relevância dos ensaios de dosagem, com a resistência à compressão simples variando entre 0,85 MPa aos 7 dias e 4,60 MPa para ruptura aos 28 dias empregando cimento Portland tipo CP V. Verifica-se, ainda, a significância do consumo de cimento e do teor de umidade empregado nas misturas na resistência atingida. Como forma de complementar os resultados obtidos, foi feita a análise MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura) e a correlação entre a resposta mecânica à compressão simples e o índice porosidade por teor volumétrico de agente estabilizante, a qual se mostrou satisfatória para estabelecer as curvas de dosagem.
- ItemAnálise termoeconômica da recuperação do calor residual dos gases de motores marítimos por ciclo binário de vapor(2024) Machado, Kamille Vieira; Marques, Crístofer Hood; Souza, Jeferson AvilaNa presente dissertação de mestrado foi realizada uma análise termoeconômica, tendo o intuito de reduzir o desperdício do calor residual dos gases de exaustão de motores marítimos e otimizar o sistema termodinâmico, unindo aumento de eficiência energética e redução econômica. Para isso, foi utilizada como ciclo de potência para o ciclo binário de vapor o qual utiliza dois fluidos de trabalho para seu funcionamento. Neste estudo, serão utilizados como fluido de trabalho a água para o ciclo superior e os fluidos orgânicos R601a, R134a e R32 para o ciclo inferior. A análise foi realizada para dois motores marítimos, modelos 8X52 e 12X92 do fabricante Wärtsilä, para duas pressões diferentes do gerador de vapor de recuperação, 7 bara e 9 bara. Para verificar a influência do ciclo binário, o título de saída da turbina do ciclo superior foi variado de 85% a 99% com um passo de 1%. Verificou-se a capacidade de reaproveitamento de calor residual para geração de potência elétrica com a utilização do ciclo binário. Além disso, com o intuito de realizar a análise termoeconômica, composta pelas análises energéticas, exergéticas e econômicas foram verificadas as taxas de destruição exergéticas em cada um dos equipamentos do ciclo binário e o custo dos equipamentos. Deste modo, verificou-se que apesar do aumento de potência elétrica gerada, a inserção de mais equipamentos, a qual compõe o ciclo inferior, não compensa devido ao aumento da taxa de destruição exergética e no custo da planta de potência e produção de energia. Verificou-se que a otimização do ciclo binário ocorre nas extremidades, onde apenas uma das partes do ciclo é predominante. Além disso, os melhores resultados das análises ocorrem com o fluido orgânico seco R601a.
- ItemAvaliação da deposição de cloretos em diferentes microambientes de atmosfera marinha(2024) Barbosa, Renata Cristina Fernandes; Magalhães, Fábio CostaAs estruturas de concreto armado frequentemente apresentam insuficiência em alcançar os padrões desejados de durabilidade e vida útil quando expostas a ambientes marítimos. As normas vigentes carecem de abrangência suficiente para assegurar o desempenho dessas estruturas, em ambientes caracterizados por diferentes níveis de agressividade, levando à necessidade de uma revisão e ajuste dos critérios de classificação de agressividade ambiental e à adoção de testes mais específicos. Esta pesquisa tem como objetivo central o estudo do litoral da cidade de Cabo Frio – RJ, com o intuito de cartografar a deposição de cloretos e investigar as características climáticas locais para fundamentar uma avaliação da agressividade local decorrente do ataque de cloretos, visando assim implementar medidas condizentes com a construção de estruturas mais resilientes. A determinação dos teores de cloretos seguiu a norma NBR 6211:2001, baseada na norma ASTM D 512-89:1999. Os dados climáticos foram obtidos junto à Divisão de Interação Oceano Atmosfera do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira (IEAPM), responsável pelo monitoramento das variações climáticas ao longo do ano. Os resultados mostram a relação interdependente entre os fatores climáticos e a deposição de íons agressivos, tais como a direção e velocidade do vento, temperatura e umidade relativa do ar. Esses elementos mostraram-se influenciando em conjunto tanto a deposição quanto a dissipação de cloretos na atmosfera. A deposição de cloretos evidenciou relações interessantes, apresentando nos primeiros 35 metros da superfície fonte mais próxima, os valores máximos de íons depositados foram em média 1300 mg/(m2.dia), alcançados no período da primavera e aproximadamente 1000 mg/(m2.dia) no inverno. A média dos valores mais baixos nesta mesma distância foi observada em torno de 600 mg/(m2.dia), alcançados no verão e semelhantemente no outono. Para o ponto de monitoramento mais distante investigado, equivalente a 1400km da superfície fonte mais próxima, apresentou deposição máxima média de 112 mg/(m2.dia) na primavera e deposição mínima média de 43 mg/(m2.dia) no verão. Destaca-se, portanto, a importância da análise microambiental para compreender situações particulares e atender às necessidades específicas de cada estrutura. Assim, é essencial considerar não apenas os aspectos gerais do ambiente, mas também as características específicas dos microambientes dentro dele. Este levantamento proporcionou uma análise dos riscos potenciais aos quais as estruturas poderão estar expostas durante sua vida útil, quando considerado métodos e procedimentos adotados empiricamente. A compreensão dos padrões de deposição de cloretos ao longo do ano pode orientar estratégias de proteção e manutenção dessas estruturas, contribuindo para sua durabilidade e desempenho a longo prazo.
- ItemInfluência da cinza de fundo como substituto do agregado miúdo em concretos produzidos com e sem metacaulim: efeitos em propriedades relacionadas à penetração de cloretos(2024) Aragão, Tatiane Valente de; Magalhães, Fábio CostaNos últimos anos, muito se discute sobre a necessidade da utilização sustentável dos recursos naturais disponíveis no meio ambiente. A produção de concretos com resíduos industriais é uma prática cada vez mais utilizada na busca de reduzir os impactos ambientais. Muitos desses materiais são pozolânicos, como as cinzas volantes e sílicas ativas. Esses minerais, portanto, propiciam incrementos em propriedades físicas, químicas e mecânicas do concreto. Outros resíduos, como a cinza de fundo gerada no processo de queima de carvão mineral que não passa por controle de temperatura ou qualquer tipo de beneficiamento costumam apresentar baixo potencial reativo. O descarte deste material, porém, se caracteriza como um importante desafio dentro de um contexto de sustentabilidade. Neste trabalho é avaliado o potencial de durabilidade dos concretos produzidos com a substituição de areia por cinza oriundo da queima de carvão nas proporções de 5%, 10%, 15%, 20% e 30%, bem como a substituição de cimento Portland por metacaulim na proporção de 5%. A análise das propriedades químicas da cinza indicou predominância de material cristalino, contendo ainda material amorfo em menor proporção. Os resultados experimentais obtidos através dos ensaios de resistência à compressão, absorção de água por capilaridade, migração de cloretos em regime não estacionário e velocidade de pulso ultrassônico evidenciam a influência das adições minerais nas propriedades do concreto. Concretos produzidos com a adição de cinza de fundo e metacaulim apresentaram melhorias em relação ao concreto de referência C0 (sem adição), principalmente no que se refere à resistência à penetração de íons cloreto. Entre as misturas analisadas, os concretos CMK20 e CMK30 se destacam, evidenciando que a combinação de metacaulim e cinza de fundo em teores equilibrados proporciona excelente proteção contra a despassivação das armaduras, reforçando a viabilidade desses materiais na produção de concretos duráveis e sustentáveis.